电子

電子
A glass tube containing a glowing green electron beam
克魯克斯管實驗可以顯示出電子的粒子性質。如圖所示,從左往右直線移動的電子束,遇到一個十字形標靶,從而在真空管右面底端顯示出十字形陰影。
组成基本粒子
費米子
第一代
基本相互作用引力電磁力弱核力
符号e
反粒子正電子
发现约瑟夫·汤姆孙(1897年)
质量

9.109 383 56(11)×10-31 kg[1]
5.485 799 090 70(16)×10-4 amu[1]

0.510 998 9461(31) MeV/c2[1]
平均寿命穩定
电荷−1 e[註 1]
-1.602 176 6208(98)×10-19 C[1]
磁矩−1.001 159 652 180 91(26) μB [1]
自旋12

电子英语:electron)是一种带有负电次原子粒子,通常标记为 。電子屬於轻子类,以重力電磁力弱核力與其它粒子相互作用。轻子是构成物质的基本粒子之一,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,根據泡利不相容原理,任何兩個電子都不能處於同樣的狀態。电子的反粒子正子,其质量、自旋、帶电量大小都与电子相同,但是电量正負性与电子相反。電子與正子會因碰撞而互相湮滅,在這過程中,生成一對以上的光子

由电子與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組成的原子核,电子的质量显得极小。质子的质量大约是电子质量的1836倍。当原子的电子数与质子数不等时,原子会带电;称該帶電原子为离子。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。靜電在日常生活中有很多用途,例如,靜電油漆系統能夠將瓷漆英语enamel paint聚氨酯漆,均勻地噴灑於物品表面。

電子與質子之間的吸引性庫侖力,使得電子被束縛於原子,稱此電子為束縛電子。兩個以上的原子,會交換或分享它們的束縛電子,這是化學鍵的主要成因。当电子脱离原子核的束缚,能够自由移动时,則改稱此電子为自由电子。许多自由电子一起移动所产生的净流动现象称为电流。在許多物理現象裏,像電傳導磁性熱傳導,電子都扮演了機要的角色。移動的電子會產生磁場,也會被外磁場偏轉。呈加速度運動的電子會發射電磁輻射

根據大爆炸理論,宇宙現存的電子大部份都是生成於大爆炸事件。但也有一小部份是因為放射性物質的β衰變或高能量碰撞而生成的。例如,當宇宙線進入大氣層時遇到的碰撞。在另一方面,許多電子會因為與正子相碰撞而互相湮滅,或者,會在恆星內部製造新原子核恆星核合成過程中被吸收。

在實驗室裏,精密的尖端儀器,像四極離子阱,可以長時間局限電子,以供觀察和測量。大型托卡馬克設施,像国际热核聚变实验反应堆,藉著局限電子和離子電漿,來實現受控核融合無線電望遠鏡可以用來偵測外太空的電子電漿。

電子被广泛應用于電子束焊接陰極射線管電子顯微鏡放射線治療激光粒子加速器等领域。

历史

電現象

大约2500年前,古希臘哲學家泰勒斯已经發現用絲綢或法蘭絨摩擦琥珀古希腊语ήλεκτρον ,"ēlektron")能吸引轻小物体。“electric(電)”這個詞就是起源於希臘語中的“ελεκτρον(琥珀)”[2]

東漢時期(約公元一世紀),王充所著書籍《論衡》中有關於靜電的記載[3]:「頓牟掇芥」。頓牟就是琥珀,當琥珀經摩擦後,即能吸引像草芥一類的輕小物體。西元三世紀,晉朝張華的《博物志》中也有記載:“今人梳頭,解著衣,有隨梳解結,有光者,亦有吒聲”。這裏記載頭髮因摩擦起電發出的閃光和劈啪之聲[2]

生於十八世紀,富蘭克林對於電學貢獻良多。

查爾斯·篤費英语Charles Du Fay主張,大自然有兩種不同的「電流體」(electric fluid),它們分別為 玻璃電英语vitreous electricity(正電)與 樹脂電英语resinous electricity(負電),摩擦的動作可以將它們分離, 合併後會相互中和對方。這理論稱為「雙流體理論」[4]。稍後,美國科學家 埃柏奈澤·肯納斯理英语Ebenezer Kinnersley也獨立獲得相同的結論[5]:118

美国人本杰明·富兰克林意识到闪电摩擦起電涉及到相同的自然要素——後來稱之為電,并且做风筝实验证实這一观點。如同那个時期的大多數科學家,富兰克林认为,電效應是一種瀰漫於所有物體內部的奧妙流體所產生的作用。假设经过某种程序,促使物体得到更多這種流體,则称此物体带正电;假设经过另一种程序,促使物体失去這種流體,则称此物体带负电。若这两个物体互相接触到对方,流體会从带正电物体流往带负电物体。流體的这種重新分布规定了电流方向(与後來觀測到的电子流动方向正好相反)。這是一種「單流體理論」[6]:122-123

在1838年至1851年期間,英國醫生 理查·萊敏英语Richard Laming提議,原子是由核心物質與以同心圓樣式包圍在四周的帶有單位電荷的次原子粒子所組成;精簡地說,他猜想大自然存在帶有單位電荷的次原子粒子。[7]在1846年,德國物理學者威廉·韋伯建議,原子的結構類似行星系統,很多帶正電的次原子粒子環繞著一個帶負電的核心物質轉動,次原子粒子的質量非常微小,核心物質的質量非常大。[8]1874年,愛爾蘭物理學者 喬治·斯桐尼英语George stoney建議,在電解現象裡,大自然揭示了電的確切單一數量,這數量與電所作用的物體的種類無關。他又於1891年提議,將這些基本電量(基本電荷)命名為「electron 」(電子),他還嘗試使用法拉第電解定律來估算其數值[9]。斯桐尼的電子永久束縛在原子內部,無法被移除,每一個原子的化學鍵都會伴隨著電子。這些電子的震動造成周圍乙太的電磁應力。1881年,德國物理學者赫爾曼·馮·亥姆霍茲強調,從法拉第電解定律的結果可以總結,不論是正電或是負電,它們都可被分割為確切的基本單位,其物理行具有粒子性質 [10]:70-74

阴极射线

發光的圓形電子束在圓形玻璃真空管的內部
電子束被磁場偏轉成圓形。[11]

德国物理學者尤利烏斯·普吕克研究 蓋斯勒管英语Geissler tube內的稀薄氣體裡的放電現象。他在1858年發現,假設使用白金為陰極的材料,則會有小粒子從陰極剝離。他猜想,剝離的白金粒子因白熾而發出 輝光英语glow discharge。他還觀測到,在放電時,在陰極附近的玻璃管壁會出現磷光,其位置會隨著磁場而改變[12]:392-394。普吕克的學生 約翰·希托夫英语Johann Hittorf於1869年進一步發現,假設在陰極與磷光之間置入一個物體,則輝光會被限制在陰極與物體之間,玻璃管壁會因為物體的遮擋而在磷光曲面內出現一塊陰影,這意味著輝光不會轉彎,只會以直線傳播。1876年,德国物理學者歐根·戈爾德斯坦將希托夫的實驗加以擴展,他使用面積較大的陰極,而不是希托夫的點陰極,他發現,輝光的光線並不是朝著所有方向發射,而是朝著垂直於表面的方向發射。他將輝光的光線命名为阴极射线。陰極射線的發射方式與燭光不同,這是一個很大的區別,但希托夫與戈爾德斯坦仍舊認為,陰極射線是某種傳播於乙太電磁波。儘管如此,他們的研究成果已為未來關於陰極射線本質的辯論撒下了種子。[13]:55-57

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的真空管,被称作克鲁克斯管。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。克鲁克斯提議,这黑暗區域的寬度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,沒有什麼碰撞;而在辉光区域,發生了很多碰撞事件;在管面的螢光,則是因為粒子與管面發生碰撞[12]:394-395

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·赫茲为首的德国物理学家的反对[14]。赫兹的学生德国物理学家菲利普·萊納德在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[15]。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,这更加坚定了他的信念。[16]

發現電子

約瑟夫·湯姆森,電子的發現者。

1895年,讓·佩蘭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)的電荷質量比,因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖[17]。汤姆孙採用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發现了。[16]

於1896年,在研究天然發螢光礦石的時候,法國物理學家亨利·貝克勒發現,不需要施加外能源,這些礦石就會自然地發射輻射。這些放射性物質引起許多科學家的興趣,包括發現這些放射性物質會發射粒子的紐西蘭物理學家歐尼斯特·拉塞福。按照這些粒子穿透物質的能力,拉塞福替這些粒子分別取名為阿伐粒子貝他粒子(「阿伐」是希臘字母的第一個字母「α」,「貝他」是第二個字母「β」)。於1900年,貝克勒發現,元素發射出的貝他射線,會被電場偏轉;還有,貝他射線和陰極射線都有同樣的電荷質量比。這些證據使得物理學家更強烈地認為電子本是原子的一部分,貝他射線就是陰極射線[12]:408-410

於1909年,美國物理學家羅伯特·密立根做了一個著名實驗,稱為油滴實驗,可以準確地測量出電子的帶電量。在這實驗裏,他使用電場的庫侖力來抵銷帶電油滴所感受到的重力。從電場強度,他計算出油滴的帶電量。他的儀器可以準確地測量出含有1到150個離子的油滴的帶電量,而且實驗誤差可以限制到低於0.3%。他發現每一顆油滴的帶電量都是同一常數的倍數,因此,他推論這常數必是電子的帶電量。汤姆孙和學生 約翰·湯森德英语John Townsend使用電解的離子氣體來將過飽和水蒸氣凝結,經過測量帶電水珠粒的帶電量,他们也得到了相似結果[13]。於1911年, 亞伯蘭·約費英语Abram Ioffe使用帶電金屬微粒,獨立地得到同樣的結果[18]。但是,油滴比水滴更穩定,油滴的蒸發率較低,比較適合更持久的精準實驗[19]

二十世紀初,實驗者發現,快速移動的帶電粒子會在經過的路徑,使過冷卻過飽和蒸氣凝結成小霧珠。於1911年,查爾斯·威爾森應用這理論設計出雲室儀器。這奇妙的發明使得實驗者能夠用照相機拍攝到快速移動電子的軌道,成為早期研究基本粒子的重要方法[20]

原子理論

Three concentric circles about a nucleus, with an electron moving from the second to the first circle and releasing a photon
原子的波耳模型示意圖,顯示出以主量子數 標記的三個量子態能級。當一個電子從能級較高的量子態,躍遷至能級較低的量子態時,會發射一個光子;這光子的能量等於兩個量子態的能級差額。

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。

最早的原子模型是湯姆森的梅子布丁模型。發表於1904年,湯姆森认为电子在原子中均匀排列,就像帶正電布丁中的帶負電梅子一样[21]。1909年,著名的拉塞福散射實驗徹底地推翻了這模型[22]

拉塞福根據他的實驗結果,於1911年,設計出拉塞福模型。在這模型裏,原子的绝大部分质量都集中於小小的原子核,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[22]

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,耗盡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)。於1913年,尼爾斯·波耳提出了波耳模型。在这模型中,电子运动於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。當电子從距离原子核更遠的轨域,跃迁到距离原子核更近的轨域时,会以光子的形式釋放出能量。相反的,从低能級轨域跃迁到高能級轨域则會吸收能量。藉著這些量子化轨域,波耳正確地計算出氫原子光譜[23]。但是,使用波耳模型,並不能夠解釋譜線的相對強度,也無法計算出更複雜原子的光譜[24]。這些難題,尚待後來量子力學的解釋。

1916年,美國物理化學家吉爾伯特·路易斯成功地解釋了原子與原子之間的相互作用。他建議兩個原子之間一對共用的電子,稱為電子對,形成了共價鍵[25]。於1923年,瓦尔特·海特勒弗里茨·伦敦應用量子力學理論,完整地解釋清楚電子對產生和化學鍵形成的原因[26]。於1919年,歐文·朗繆爾將路易斯的 立方原子模型英语cubical atom加以發揮,建議所有電子都分佈於一層層同心的(接近同心的)、等厚度的球形殼。他又將這些球形殼分為幾個部分,每一個部分都含有一對電子。使用這模型,他能夠解釋週期表內每一個元素的週期性化學性質[27][28]

1924年,奧地利物理學家沃爾夫岡·包立用一組參數來解釋原子的殼層結構。這一組的四個參數,決定了電子的量子態。每一個量子態只能容許一個電子佔有。(這禁止多於一個電子佔有同樣的量子態的規則,稱為泡利不相容原理)。這一組參數的前三個參數分別為主量子數角量子數磁量子數。第四個參數只能有兩種選擇。於1925年,荷蘭物理學家塞缪尔·古德斯米特喬治·烏倫貝克提出了第四個參數所代表的物理機制。他們認為電子,除了運動軌域的角動量以外,可能會擁有內在的角動量,稱為自旋;這性質可以用來解釋先前在實驗裡,用高解析度光譜儀觀測到的神秘的精細結構分裂,即原子譜線從先前的一條線分裂成數條線[29]

量子力學

1924年,法國物理學家路易·德布羅意在他的博士論文《量子理论研究》(《Recherches sur la théorie des quanta》)裏,提出了德布羅意假說,假設所有物質都擁有類似光波的波動性質[30]。按照這假設,給予適當的條件,電子和其它物質會顯示出波動的性質。假若,物理實驗能夠顯示出,隨著時間演化,物體移動於空間軌道的局域位置,則這實驗明確地顯示了粒子性質。假若,物理實驗能夠顯示出,粒子通過狹縫後,會產生干涉圖樣於偵測屏障,則這實驗明確地顯示了波動性質。1927年,英國物理學家喬治·湯姆森用金屬薄膜,美國物理學家柯林頓·戴維森雷斯特·革末用鎳晶體,分別將電子的干涉效應顯示於偵測屏障[31]

A symmetrical blue cloud that decreases in intensity from the center outward
在量子力學裏,束縛於原子內部的電子的物理行為可以用原子軌域來描述,這軌域並不是軌道,而是機率幅機率分佈是機率幅絕對值的平方。此圖顯示1s原子軌域。某位置的色彩濃淡表示電子處於那位置的相對機率。

德布羅意的博士論文給予埃爾溫·薛丁格莫大的啟示:既然粒子具有波動性,那必定有一個波動方程式,能夠完全地描述這粒子的波動行為。1926年,薛丁格提出了薛丁格方程式。這波動方程式能夠描述電子的波動行為[32]。它並不能命定性地給出電子的明確運動軌道,電子在任意時間的位置。但是,它可以計算出電子處於某位置的機率,也就是說,在某位置找到電子的機率。薛定諤用自己想出的方程式來計算氫原子譜線,得到了與用波耳模型的預測雷同的答案。再進一步將電子的自旋和幾個電子的互相作用納入考量,薛丁格方程式也能夠給出電子在其它原子序較高的原子內的電子組態[33]

1928年,保羅·狄拉克發表了狄拉克方程式。這公式能夠描述相對論性電子的物理行為[34]。相對論性電子是移動速度接近光速的電子。為了要解釋狄拉克方程式的自由電子解所遇到的反常的負能量態問題,狄拉克提出了一個真空模型,稱為狄拉克之海,即真空是擠滿了具有負能量的粒子的無限海。因此,他預言宇宙中存在有正子(電子的反物質搭配)[35]。1932年,卡爾·安德森在宇宙射線實驗中首先證實了正子的存在[36]

1947年,威利斯·蘭姆在與研究生羅伯特·雷瑟福(Robert Retherford)合作的實驗中,發現氫原子的某些應該不會有能量差值的簡併態,竟然出現很小的能量差值。這現象稱為蘭姆位移。大約同年代,波利卡普·庫施 亨利·福立英语Henry Foley在共同完成的一個實驗中,發現電子的異常磁矩,即電子的磁矩比狄拉克理論的預估稍微大一點。為了解釋這些現象,朝永振一郎朱利安·施溫格理察·費曼,於1940年代,創建了量子電動力學[37]

粒子加速器

二十世紀的前半世紀,粒子加速器運作所需的理論與設備都已發展成熟。物理學家已經準備好更進一步地研究亞原子粒子的性質[38]。1942年, 唐納德·克斯特英语Donald Kerst首先成功地使用電磁感應將電子加速至高能量。在他領導下,貝他加速器最初的能量達到2.3百万电子伏MeV);後來,能量更達到300MeV。1947年,在通用電器實驗室,使用一台70MeV電子同步加速器,物理學家發現了同步輻射,即移動於磁場的相對論性電子因為加速度而發射的輻射[39]

1968年,第一座粒子束能量高達1.5吉电子伏(GeV),名為 大儲存環對撞機英语ADONE 粒子對撞機英语particle collider,在義大利 核子物理國家研究院英语Istituto Nazionale di Fisica Nucleare開始運作。這座對撞機能夠將電子和正子反方向地分別加速。與用電子碰撞一個靜止標靶相比較,這方法能夠有效地使碰撞能量增加一倍[40]。從1989年運行到2000年,位於瑞士日內瓦近郊的歐洲核子研究組織大型電子正子對撞機,能夠實現高達209GeV的碰撞能量。這對撞機曾經完成多項實驗,對於考練與核對粒子物理學的標準模型的正確性有很大的貢獻[41]

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