电子

电子的内部结构模型图
电子的内部结构模型图
  中文名称:电子   英文名称:electron   定义:静止质量为9.109×10-31kg、电荷为-1.602×10-19C的稳定基本粒子。在一般情况下是指带负电荷的负电子。其反粒子是带正电荷的正电子。   所属学科:电力(一级学科) ;通论(二级学科)   电子Electron)是一种带有负电的亚原子粒子,通常标记为 e^- \,\! 。电子属于轻子类,以引力、电磁力和弱核力与其它粒子相互作用。轻子是构成物质的基本粒子之一,即其无法被分解为更小的粒子。电子带有1/2自旋,是一种费米子。因此,根据泡利不相容原理,任何两个电子都不能处于同样的状态。电子的反粒子是正电子,其质量、自旋、带电量大小都与电子相同,但是电量正负性与电子相反。电子与正电子会因碰撞而互相湮灭,在这过程中,创生一对以上的光子。  由电子与中子、质子所组成的原子,是物质的基本单位。相对于中子和质子所组成的原子核,电子的质量显得极小。质子的质量大约是电子质量的1842倍。当原子的电子数与质子数不等时,原子会带电;称这原子为离子。当原子得到额外的电子时,它带有负电,叫阴离子,失去电子时,它带有正电,叫阳离子。若物体带有的电子多于或少于原子核的电量,导致正负电量不平衡时,称该物体带静电。当正负电量平衡时,称物体的电性为电中性。静电在日常生活中有很多用途,例如,静电油漆系统能够将瓷漆(英语:enamel paint)或聚氨酯漆,均匀地喷洒于物品表面。  电子与质子之间的吸引性库仑力,使得电子被束缚于原子,称此电子为束缚电子。两个以上的原子,会交换或分享它们的束缚电子,这是化学键的主要成因。当电子脱离原子核的束缚,能够自由移动时,则改称此电子为自由电子。许多自由电子一起移动所产生的净流动现象称为电流。在许多物理现象里,像电传导、磁性或热传导,电子都扮演了机要的角色。移动的电子会产生磁场,也会被外磁场偏转。呈加速度运动的电子会发射电磁辐射。  根据大爆炸理论,宇宙现在所存在的电子,大部份都是创生于大爆炸事件。但是,有一小部份是因为放射性物质的β衰变或高能量碰撞而创生的。例如,当宇宙线进入大气层时遇到的碰撞。在另一方面,许多电子会因为与正电子相碰撞而互相湮灭,或者,会在恒星内部制造新原子核的恒星核合成过程中被吸收。  在实验室里,精密的尖端仪器,像四极离子阱(英语:quadrupole ion trap),可以长时间局限电子,以供观察和测量。大型托卡马克设施,像国际热核聚变实验反应堆,借着局限电子和离子等离子,来实现受控核聚变。无线电望远镜可以用来探测外太空的电子等离子。  电子的应用领域很多,像电子束焊接、阴极射线管、电子显微镜、放射线治疗、激光和粒子加速器等等。

探索与发现

  早在古希腊时期,人们就发现摩擦过的琥珀(希腊语ήλεκτρον/ēlektron)能吸引轻小物体,他们称这种现象为电(electricity)。  在中国,古人王充所著书籍《论衡》(约公元一世纪,即东汉时期)中有关于静电的记载:“顿牟掇芥”,顿牟就是琥珀,当琥珀经摩擦后,即能吸引像草芥一类的轻小物体。但古文对于电并没有更深入的了解。  英国人威廉·吉尔伯特、法国人查尔斯·杜菲(英语:Charles du Fay)等先后研究和发表了许多关于电的现象和电的特性。但是他们都是通过摩擦的方法产生的电,并且都没有办法存储住大量的电荷。一直到荷兰莱顿大学的物理学教授彼德·马森布罗克(英语:Pieter van Musschenbroek)发明出了用电容原理储存电荷的莱顿瓶,才为人类进一步研究打下基础。  到18世纪,美国人本杰明·富兰克林意识到闪电与摩擦起电(英语:triboelectric effect)是相似的过程,并且做风筝实验证实。富兰克林认为在正常状况,每一种物质都含有固定比例的电量。假设,经过某种程序,促使物体得到更多电,则称此物体带正电;假设,经过另一种程序,促使物体失去电,则称此物体带负电。假设,这两个物体互相接触到对方,电流会从带正电物体流往带负电物体,这样,设定了电流方向(与我们今天认识到的电子流动方向正好相反)。  在黑暗中,做摩擦起电的动作,就能够看到电火花。空中的闪电也是有颜色的。可是要研究电流本身的颜色,必须有一个能够提供长时间持续平稳电流的电源,并且,这电流必需是在真空中放电形成的才行。上述几位研究者都无法得到这种电源,意大利人亚历山德罗·伏打发明的伏打电堆则解决了这一问题。后来,麦可·法拉第又研究出更廉价的发电机,使得长时间维持大量电流变得更加容易。第二问题的解决则是由德国人海因里希·盖斯勒(英语:Heinrich Geissler)完成,这位杰出的吹管工人,做成了一台以水银的往复运动为原理的真空泵。他又利用这台真空泵,制造出当时世界上最纯的真空管,后来称为盖斯勒管(英语:Geissler tube)。19世纪50年代,德国物理学家尤利乌斯·普吕克(英语:Julius Plücker)将一支空气含量万分之一的玻璃管两端装上两根白金丝,并在两电极之间通上高压电,便出现了辉光放电(英语:Electric glow discharge)现象。普吕克和他的学生约翰·希托夫(英语:Johann Wilhelm Hittorf)发现,辉光是在带负电的阴极附近出现的。1858年,普吕克报告了这一现象,并且提出富兰克林的猜测是错误的——即电荷是从阴极发射到阳极而不是相反。可是那辉光的本质到底是不是电流,普吕克还不能确定,他认为可能是稀薄气体或是电极上脱落下来的金属。  德国人尤金·高德斯坦(英语:Eugen Goldstein)后来将不同的气体释入真空管,并且用不同的金属做电极,但都得到同样的实验结果。于是,他认为这种辉光与电流本身有关,并且将它命名为阴极射线。普吕克的学生希托夫继续了老师的实验。他将真空管做成圆球状并且在阴极与阳极之间放置了十字形的金属箔片,在阳极的位置果然出现了十字形阴影,这说明从阴极确实发射出了一些东西(现在我们知道这就是电子)。他还发现即使将金属换成透明的云母也能产生阴影——这说明这种辉光不同于可见光。然而,要做出进一步的研究需要真空度更高的真空管。  英国人威廉·克鲁克斯在1878年利用一种水银真空泵,制造出了气体含量仅为盖斯勒管1/75000的,被人们称作克鲁克斯管的真空管。克鲁克斯注意到,当逐渐抽出克鲁克斯管内的气体时,阴极附近开始出现黑暗区域,随着真空度的增加,这黑暗区域也会扩张。克鲁克斯认为,这现象与阴极粒子的平均自由程有关;黑暗区域与辉光区域的界面,即为粒子与气体分子相互碰撞的起始面;在黑暗区域内,没有什么碰撞;而在辉光区域,发生了很多碰撞事件;在管面的萤光,则是因为粒子与管面发生碰撞。他还进行了4个有趣的实验来研究阴极射线:  1.一根直真空管,管中放置一个由云母做成的风车。当两极都通上电后,风车仿佛被阴极射线推动而向阳极运动。将阴阳两级反向后,风车又会向新的阳极运动。说明阴极射线能够产生压力。但是,物理学家很快地就发现,这现象并不是由压力促成的,而是由热流促成的。一直要等到1899年,彼德·雷博德(英语:Pyotr Lebedev)的实验才会将阴极射线能够产生压力这论点给与正确的证实。   2.一根V形真空管,两端分别接上电源正负极。只有接电源负极的阴极才会发光。说明阴极射线沿直线传播。   3.两个梨形真空管,分别放置不透明与透明的云母作为障碍物。通电后均在阳极产生影子。说明光能穿透的物质,阴极射线不能穿透。   4.一根大正空管,阴极做成凹面镜的形状,阴极射线聚焦在一个点上。风车则位于一块挡板的后面,阴极射线不能直接照射到。然后用磁铁靠近真空管,使阴极射线聚焦的位置发生改变并照射到风车上,风车发生了转动。说明阴极射线能够因磁场而改变传播路径。   克鲁克斯等英国物理学家认为阴极射线并不是射线,而是一种带电粒子。这观点遭到了以海因里希·赫兹为首的德国物理学家的反对。赫兹的学生德国物理学家菲利普·莱纳德在1889年进行了一个实验:他在阳极安装了薄铝箔窗,这样就能把阴极射线导出到空气中。赫兹提出,阴极射线能够穿过薄金属箔,因此它不可能是粒子(事实上,如果金属箔足够薄,光线同样也能通过)。同时,赫兹还在真空管的两侧施加了电场,结果发现并没有观察到预期的偏转(赫兹的电场加得不够大,偏转难以观察到,用磁场会产生更好的效果),这更加坚定了他的信念。 
约瑟夫·汤姆孙-电子的发现者
约瑟夫·汤姆孙-电子的发现者
 1895年,让·佩兰发现阴极射线能够使真空管中的金属物体带上负电荷,支持了克鲁克斯的理论。1897年,剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆孙重做了赫兹的实验。使用真空度更高的真空管和更强的电场,他观察出阴极射线的偏转,并计算出了阴极射线粒子(电子)的荷质比,因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。汤姆孙采用1891年乔治·斯托尼(英语:George Johnstone Stoney)所起的名字——电子来称呼这种粒子。至此,电子作为人类发现的第一个亚原子粒子和打开原子世界的大门被汤姆孙发现了。  1896年,在研究天然发萤光矿石的时候,法国物理学家亨利·贝克勒尔发现,不需要施加外能源,这些矿石就会自然地发射辐射。这些放射性物质引起许多科学家的兴趣,包括发现这些放射性物质会发射粒子的新西兰物理学家欧尼斯特·卢瑟福。按照这些粒子穿透物质的能力,卢瑟福替这些粒子分别取名为阿尔法粒子和贝塔粒子(“阿尔法”是希腊字母的第一个字母“α”,“贝塔”是第二个字母“β”)。于1900年,贝克勒尔发现,镭元素发射出的贝塔射线,会被电场偏转;还有,贝塔射线和阴极射线都有同样的荷质比。这些证据使得物理学家更强烈地认为电子本是原子的一部分,贝塔射线就是阴极射线。  1909年,美国物理学家罗伯特·密立根做了一个著名实验,称为油滴实验,可以准确地测量出电子的带电量。在这实验里,他使用电场的库仑力来抵销带电油滴所感受到的重力。从电场强度,他计算出油滴的带电量。他的仪器可以准确地测量出含有1到150个离子的油滴的带电量,而且实验误差可以限制到低于0.3%。他发现每一颗油滴的带电量都是同一常数的倍数,因此,他推论这常数必是电子的带电量。汤姆孙和学生约翰·汤森德(英语:John Townsend)使用电解的离子气体来将过饱和水蒸气凝结,经过测量带电水珠粒的带电量,他们也得到了相似结果。于1911年,亚伯兰·约费(英语:Abram Ioffe)使用带电金属微粒,独立地得到同样的结果。但是,油滴比水滴更稳定,油滴的蒸发率较低,比较适合更持久的精准实验。  二十世纪初,实验者发现,快速移动的带电粒子会在经过的路径,使过冷却、过饱和的水蒸气凝结成小雾珠。于1911年,查尔斯·威耳逊应用这理论设计出云室仪器。这奇妙的发明使得实验者能够用照相机拍摄到快速移动电子的轨道,成为早期研究基本粒子的重要方法。  在不同的时代,人们对电子在原子中的存在方式有过各种不同的推测。  最早的原子模型是汤姆孙的梅子布丁模型。发表于1904年,汤姆孙认为电子在原子中均匀排列,就像带正电布丁中的带负电梅子一样。1909年,著名的卢瑟福散射实验彻底地推翻了这模型。  卢瑟福根据他的实验结果,于1911年,设计出卢瑟福模型。在这模型里,原子的绝大部分质量都集中于小小的原子核,原子的绝大部分都是真空。而电子则像行星围绕太阳运转一样围绕着原子核运转。这一模型对后世产生了巨大影响,直到现在,许多高科技组织和单位仍然使用电子围绕着原子核的原子图像来代表自己。  在经典力学的框架之下,行星轨道模型有一个严重的问题不能解释:呈加速度运动的电子会产生电磁波,而产生电磁波就要消耗能量;最终,耗尽能量的电子将会一头撞上原子核(就像能量耗尽的人造卫星最终会进入地球大气层)。于1913年,尼尔斯·玻尔提出了玻尔模型。在这模型中,电子运动于原子的某一特定的轨域。距离原子核越远,轨域的能量就越高。当电子从距离原子核更远的轨域,跃迁到距离原子核更近的轨域时,会以光子的形式释放出能量。相反的,从低能级轨域跃迁到高能级轨域则会吸收能量。借着这些量子化轨域,玻尔正确地计算出氢原子光谱。但是,使用玻尔模型,并不能够解释谱线的相对强度,也无法计算出更复杂原子的光谱。这些难题,尚待后来量子力学的解释。  1916年,美国物理化学家吉尔伯特·路易士成功地解释了原子与原子之间的相互作用。他建议两个原子之间一对共用的电子,称为电子对,形成了共价键。于1923年,沃尔特·海特勒(英语:Walter Heitler)和弗里茨·伦敦(英语:Fritz London)应用量子力学理论,完整地解释清楚电子对产生和化学键形成的原因。于1919年,欧文·朗缪尔将路易士的立方原子模型(英语:cubical atom)加以发挥,建议所有电子都分布于一层层同心的(接近同心的)、等厚度的球形壳。他又将这些球形壳分为几个部分,每一个部分都含有一对电子。使用这模型,他能够解释周期表内每一个元素的周期性化学性质。  1924年,奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利用一组参数来解释原子的壳层结构。这一组的四个参数,决定了电子的量子态。每一个量子态只能容许一个电子占有。(这禁止多于一个电子占有同样的量子态的规则,称为泡利不相容原理)。这一组参数的前三个参数分别为主量子数、角量子数和磁量子数。第四个参数只能有两种选择。于1925年,荷兰物理学家撒姆耳·高斯密特(英语:Samuel Abraham Goudsmit)和乔治·乌伦贝克(英语:George Uhlenbeck)提出了第四个参数所代表的物理机制。他们认为电子,除了运动轨域的角动量以外,可能会拥有内在的角动量,称为自旋;这性质可以用来解释先前在实验里,用高分辨率光谱仪观测到的神秘的精细结构分裂,即原子谱线从先前的一条线分裂成数条线。  1924年,法国物理学家路易·德布罗意在他的博士论文《量子理论研究》(《Recherches sur la théorie des quanta》)里,提出了德布罗意假说,假设所有物质都拥有类似光波的波动性质。按照这假设,给予适当的条件,电子和其它物质会显示出波动的性质。假若,物理实验能够显示出,随着时间演化,物体移动于空间轨道的局域位置,则这实验明确地显示了粒子性质。假若,物理实验能够显示出,粒子通过狭缝后,会产生干涉图案于探测屏障,则这实验明确地显示了波动性质。1927年,英国物理学家乔治·汤姆孙用金属薄膜,美国物理学家克林顿·戴维孙和雷斯特·革末用镍晶体,分别将电子的干涉效应显示于探测屏障。  德布罗意的博士论文给予埃尔温·薛定谔莫大的启示:既然粒子具有波动性,那必定有一个波动方程,能够完全地描述这粒子的波动行为。1926年,薛定谔提出了薛定谔方程。这波动方程能够描述电子的波动行为。它并不能命定性地给出电子的明确运动轨道,电子在任意时间的位置。但是,它可以计算出电子处于某位置的几率,也就是说,在某位置找到电子的几率。薛定谔用自己想出的方程来计算氢原子的谱线,得到了与用玻尔模型的预测雷同的答案。再进一步将电子的自旋和几个电子的互相作用纳入考量,薛定谔方程也能够给出电子在其它原子序较高的原子内的电子组态。薛定谔的点子,为量子力学创立了一个崭新的发展平台。  1928年,保罗·狄拉克发表了狄拉克方程。这公式能够描述相对论性电子的物理行为。相对论性电子是移动速度接近光速的电子。为了要解释狄拉克方程的自由电子解所遇到的反常的负能量态问题,狄拉克提出了一个真空模形,称为狄拉克之海,即真空是挤满了具有负能量的粒子的无限海。因此,他预言宇宙中存在有正电子(电子的反物质搭配)。1932年,卡尔·安德森在宇宙射线实验中首先证实了正电子的存在。  1947年,威利斯·兰姆在与研究生罗伯特·雷瑟福(Robert Retherford)合作的实验中,发现氢原子的某些应该不会有能量差值的简并态,竟然出现很小的能量差值。这现象称为兰姆位移。大约同年代,波利卡普·库施(英语:Donald William Kerst)和亨利·福立(英语:Henry Foley)在共同完成的一个实验中,发现电子的异常磁矩(英语:anomalous magnetic dipole moment),即电子的磁矩比狄拉克理论的预估稍微大一点。为了解释这些现象,朝永振一郎、朱利安·施温格和理察·费曼,于1940年代,创建了量子电动力学。  二十世纪的前半世纪,粒子加速器运作所需的理论与设备都已发展成熟。物理学家已经准备好更进一步地研究亚原子粒子的性质。1942年,唐纳德·克斯特(英语:Donald Kerst)首先成功地使用电磁感应将电子加速至高能量。在他领导下,贝塔加速器最初的能量达到2.3百万电子伏(MeV);后来,能量更达到300MeV。1947年,在通用电器实验室,使用一台70MeV电子同步加速器,物理学家发现了同步辐射,即移动于磁场的相对论性电子因为加速度而发射的辐射。  1968年,第一座粒子束能量高达1.5兆电子伏(GeV),名为大储存环对撞机(英语:ADONE)的粒子对撞机(英语:particle collider),在意大利的核子物理国家研究院(英语:Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)开始运作。这座对撞机能够将电子和正电子反方向地分别加速。与用电子碰撞一个静止标靶相比较,这方法能够有效地使碰撞能量增加一倍。从1989年运行到2000年,位于瑞士日内瓦近郊的欧洲核子研究组织的大型电子正电子对撞器,能够实现高达209GeV的碰撞能量。这对撞器曾经完成多项实验,对于考练与核对粒子物理学的标准模型的正确性有很大的贡献。

物理特性

·分类

  在粒子物理学里,根据标准模型,电子属于亚原子粒子中的轻子类。电子是基本粒子。在所有带电的轻子中,电子的质量最小,属于第一代(英语:Generation (particle physics))基本粒子。渺子和陶子分别为第二代和第三代的轻子。它们的电荷量、自旋和基本相互作用,都与电子相同;质量都大于电子。轻子与夸克的主要不同点是轻子不以强核力与其它粒子相互作用。轻子的自旋是半奇数。凡是自旋为半奇数的粒子都是费米子。所以,轻子是费米子。电子的自旋是1/2 。

·基本性质

基本粒子的标准模型,电子位于左下方
基本粒子的标准模型,电子位于左下方
  电子的质量大约为9.109 × 10-31公斤或5.489 × 10-4amu。根据阿尔伯特·爱因斯坦的质能等价原理,这质量等价于0.511 MeV静止能量。质子质量大约为电子质量的1836倍。天文测量显示出,至少在最近这半个宇宙的年龄期间,这质量比例都保持稳定不变,就如同标准模型所预测的一样。  电子带有的电量是基本电荷电量:-1.602 × 10-19库仑。这是亚原子粒子所使用的电荷单位的电量。有些物理学家会提出疑问:电子与质子的绝对带电量是否有可能不相等?很遗憾的是,选用最尖端、最准确的仪器于精心设计的实验,物理学家仍旧无法对这疑问给予明确的解答。基本电荷通常用符号 e\,\! 表示。电子用符号 e^- \,\! 表示;正电子用符号 e^+ \,\! 表示;其中,正负号分别表示带有正负电荷。除了带有电荷的正负号不同以外,正电子与电子的其它性质都相同。  电子拥有内在的角动量,称为自旋。电子的自旋量子数为 s=1/2\,\!。通常,当谈到这性质时,电子会被指为是一种自旋1/2粒子。对于这种粒子,自旋角动量是\sqrt{3}\hbar/2\,\!。任何有关自旋的射影于任意坐标轴的测量,得到的答案只能为\pm \hbar/2\,\!。沿着自旋轴,电子的内在磁矩大约为1玻尔磁子,或9.274 009 15(23) × 10−24焦耳/特斯拉。电子的自旋对于动量方向的投影,是电子的螺旋性。  电子没有任何次结构。物理学家认为电子是一个点粒子(英语:point particle),不占有任何空间。从观测束缚于潘宁阱内的电子而得到的实验结果,物理学家推断电子半径的上限为10−22米。经典电子半径是2.8179 × 10-15。这个结果是从经典电动力学和狭义相对论的理论推论出来的,并没有使用到任何量子力学理论。  很多基本粒子会自发衰变成质量更轻的粒子,渺子就是一个很好的例子。平均寿命为2.2 × 10-6秒的渺子会衰变成一个电子、一个中微子和一个反中微子。从现有理论论证,电子是很稳定的:电子是质量最轻的带电粒子,它的衰变会违反电荷守恒定律。电子平均寿命的实验最低限是4.6 × 1026年,置信区间是90%。