电子
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| 電子 | |
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| 分類 | |
| 歷史 | |
| 符號： | e− |
| 發現時間： | 1897年 |
| 發現者： | 约瑟夫·汤姆生（英國） |
| 基本性質 | |
| 質量： | 0.51 MeV 1/1836 amu |
| 電荷： | -1 -1.6 × 10-19 C |
| 自旋： | 1/2 |
| 受作用力： | 引力、電磁力、弱核力 |
| 半衰期： | 穏定 |
电子属于亚原子粒子中的轻子类，也是第一个被人类发现的亚原子粒子。 轻子被认为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。它带有1/2自旋，即又是一种费米子（按照费米—狄拉克统计）。电子所带电荷为-1.6 × 10-19库仑，质量为9.10 × 10-31 kg (0.51 MeV/c2)。通常被表示为e-。 电子的反粒子是正电子，它带有与电子相同的质量，自旋和等量的正电荷。电子同中子、质子一道组成物质基本单位——原子。相对于中子和质子組成的原子核，电子的质量极小。质子的质量大约是电子质量的1842倍。并且在通常情况下，原子更加容易改变它的外层电子数量而不是原子核中的中子和质子的数量。原子中电子数与质子数不等时，原子会带电称为离子。当原子得到额外的电子时它呈负电叫阴离子，失去电子时叫阳离子。电子脱离原子核束缚自由移动时，其产生的净流动现象称为电流。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我们称该物体带上静电。当电子过剩时，称为物体带负电；而电子不足时，称为物体带正电。当正负电量平衡时，则称物体是电中性的。靜電在我們日常生活中有很多作用，比如激光打印。
目录 |
[编辑] 历史
电子的历史与人类对电荷的研究有关。早在古希腊时期，人们就发现摩擦过的琥珀（希腊语ελεκτρον/elektron）能吸引轻小物体，他们称这种现象为电（electric）。英国人威廉·吉尔伯特、法国人杜菲等先后研究了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马森布罗克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·富兰克林又对电继续研究并且意识到闪电与摩擦起電是相似的过程，还第一次将得到更多电的物体称为带正电，将带少量电的物体称为带负电。并将正电荷移动的方向称为电流方向（与我们今天认识到的电子更易流动相反）。在黑暗中我们摩擦起电时能看到电火花，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要能够提供长时间持续的电流并且是在真空中放电才行。但是上述几位研究者都不能按照自己的意愿生产出大量的电荷，意大利人亚历山德罗·伏打发明的伏打电池解决了这一问题。后来，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盖斯勒完成，这位杰出的吹管工人利用创造了一台以水银的往复运动为原理的真空机，利用这台真空机制造出了当时世界上最纯的真空管，他制作的这一真空管被他的朋友德国人普吕克称为盖斯勒管。19世纪50年代，他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感应线圈上得到的电，便出现了辉光放电现象。而普吕克和他的学生希托夫发现，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。
德国人戈尔德施泰因后来将不同的气体抽成真空管并且用了不同的金属做电极都发现了同样的现象，于是，他认为这种辉光与电流本身有关并且第一次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要真空度更高的真空管才行。
英国人克鲁克斯在1878年利用一种水银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，当逐渐抽出管内的气体时，克鲁克斯管中的辉光区域逐退缩至阳极并且最终消失。他还进行了4个有趣的实验来研究阴极射线：
- 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。说阴极射线能够产生压力。
- 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。
- 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。
- 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。这一观点遭到了以赫兹为首的德国物理学家的反对，赫兹提出，阴极射线能够穿过薄的金属箔，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。
赫兹的学生德国物理学家勒纳在1889年进行了深入实验：他在阳极放置了薄的铝箔，这样就能把阴极射线导出到空气中。勒纳发现阴极射线在空气中的性质同在真空管中的相同。1895年，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·汤姆生重做了赫兹的实验，他使用了真空度更高的真空管和更强的电场观察出了阴极射线的偏转并计算出了阴极射线粒子（电子）的质量，因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。汤姆生用1891年斯托尼（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生發现了。
[编辑] 原子中的电子
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。
最早的是汤姆生的葡萄干面包式：他认为电子在原子中均匀排列，就像面包中的葡萄干一样。
卢瑟福的行星轨道式：卢瑟福在进行过α粒子散射实验后认为，原子中的绝大部分质量都集中在小小的原子核中，原子中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。
玻尔的壳层模型：在经典力学的框架之下，行星轨道式有一个严重的问题不能解释：运动着的电子会产生电磁波，而产生电磁波就要消耗能量，最终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）。因此，要解释这一问题必须借助于量子力学的力量。玻尔借助于氢原子光谱和量子力学提出了他的壳层模型。在这一模型中，电子会在原子核外某一固定的轨道层上运动，层与层之间互不干扰。距离原子核越远的电子层能量越高，电子跃迁到距离核更近的轨道上时会以光量子的形式施放出能量。相反的，从低层到高层则需要吸收能量。
[编辑] 参见
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| 粒子: 電子 | μ子 | τ子 | 中微子: | 电子中微子 | μ中微子 | τ中微子 | ||
| 反粒子 : 正子 | 反μ子 |反τ子 | 反中微子: | 反电子中微子 | 反μ中微子 | 反τ中微子 | ||
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| 电子 • 正电子 • 光子 • 自能量 • 真空偏振 • 顶点函数 • Gupta-Bleuler形式 • ξ 规范 • 沃德-高桥恒等式 • 康普顿散射 • 巴巴散射 • 穆勒散射 • 反常磁矩 • 轫致辐射 • 电子偶素 |
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| 基本粒子 | 費米子： 夸克：u · d · s · c · b · t ‧ 輕子：e- · e+ · μ- μ+ · τ- ·τ+ · νe·νμ · ντ 玻色子： 規範玻色子：γ · g · W± · Z0 |
| 合成粒子 | 強子： 重子/超子/核子：p · n · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω · 介子（列表）/夸克偶素：π · K · ρ · J/ψ · Υ 其它： 原子核 ‧ 原子 ‧ 奇異原子：電子偶素 ‧ 分子 |
| 假想的基本粒子 | 超對稱粒子：軸子 · 伴膠子 · 伴引力子 · 伴希格斯玻色子 · 中性微子 · 標量費米子 · 標量輕子 · 標量夸克 其他： 軸子 · 引力子 · 希格斯玻色子 · 迅子 · X·Y · W' · Z' |
| 假想的合成粒子 | 奇異強子： 奇異重子：五夸克態 ‧ 奇異介子：膠球 · 四夸克態 其它：介子分子 |
| 準粒子 | 聲子 · 激子 · 電漿子 · 電磁極化子 · 極子 · 磁振子 |
