電子

電子

電子

分類

基本粒子

歷史

符號：

e −

發現時間：

1897 年

發現者：

約瑟夫 · 湯姆生 （ 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

電子 屬於 亞原子粒子 中的 輕子 類，也是第一個被人類發現的 亞原子粒子 。 輕子 被認為是構成物質的 基本粒子 之一，即其無法被分解為更小的粒子。它帶有 1/2 自旋 ，即又是一種 費米子 （按照 費米—狄拉克統計 ）。電子所帶 電荷 為 -1.6 × 10 -19 庫侖 ，質量為 9.10 × 10 -31 kg (0.51 MeV/c 2 ) 。通常被表示為 e - 。 電子的 反粒子 是 正電子 ，它帶有與電子相同的質量，自旋和等量的正電荷。電子同 中子 、 質子 一道組成物質基本單位—— 原子 。相對於中子和質子組成的 原子核 ，電子的質量極小。質子的質量大約是電子質量的 1842 倍。並且在通常情況下，原子更加容易改變它的外層電子數量而不是原子核中的中子和質子的數量。原子中電子數與質子數不等時，原子會帶電稱為 離子 。當原子得到額外的電子時它呈負電叫陰離子，失去電子時叫陽離子。電子脫離原子核束縛自由移動時，其產生的淨流動現象稱為 電流 。物體帶有的電子多於或少於原子核的電量，導致正負電量不平衡時我們稱該物體帶上 靜電 。當電子過剩時，稱為物體帶 負電 ；而電子不足時，稱為物體帶 正電 。當正負電量平衡時，則稱物體是電中性的。靜電在我們日常生活中有很多作用，比 孺 雷射列印。

歷史

電子的歷史與人類對電荷的研究有關。早在 古希臘 時期，人們就發現摩擦過的琥珀（希臘語ελεκτρον /elektron ）能吸引輕小物體，他們稱這種現象為電（ electric ）。英國人 威廉·吉爾伯特 、法國人 杜菲 等先後研究了關於電的現象和電的特性。但是他們都是通過摩擦的方法產生的電並且都沒有辦法存儲住大量的電荷。一直到 荷蘭萊頓大學 的物理學教授 馬森布羅克 發明出了用 電容 原理儲存電荷的萊頓瓶，才為人類進一步研究打下基礎。

到 18 世紀 ，美國人 班傑明·富蘭克林 又對電繼續研究並且意識到閃電與摩擦起電是相似的過程，還第一次將得到更多電的物體稱為帶正電，將帶少量電的物體稱為帶負電。並將正電荷移動的方向稱為電流方向（與我們今天認識到的電子更易流動相反）。在黑暗中我們摩擦起電時能看到電火花，空中的閃電也是有顏色的，可是要研究電流本身的顏色必須要能夠提供長時間持續的電流並且是在真空中放電才行。但是上述幾位研究者都不能按照自己的意願生產出大量的電荷，義大利人 亞歷山德羅·伏打 發明的 伏打 電池解決了這一問題。後來，法拉第又研究出更廉價的發電機，使得長時間維持大量電流變得更加容易。第二問題的解決則是由德國人 蓋斯勒 完成，這位傑出的吹管工人利用創造了一臺以水銀的往複運動為原理的真空機，利用這台真空機製造出了當時世界上最純的真空管，他製作的這一真空管被他的朋友德國人 普呂克 稱為蓋斯勒管。 19 世紀 50 年代 ，他將一支空氣含量萬分之一的玻璃管兩端裝上兩根白金絲，並在兩電極之間通上高壓感應線圈上得到的電，便出現了輝光放電現象。而普呂克和他的學生希托夫發現，輝光是在帶負電的陰極附近出現的， 1858 年普呂克報告了這一現象並且提出 富蘭克林 的猜測是錯誤的——即電荷是從陰極發射到陽極而不是相反。可是那輝光的本質到底是不是電流普呂克還不能確定，他認為可能是稀薄氣體或是電極上脫落下來的金屬。

德國人戈爾德施泰因後來將不同的氣體抽成真空管並且用了不同的金屬做電極都發現了同樣的現象，於是，他認為這種輝光與電流本身有關並且第一次將它命名為 陰極射線 。普呂克的學生 希托夫 繼續了老師的 實驗 。他將真空管做成圓 球 狀並且在陰極與陽極之間放置了十字形的金屬箔片，在陽極的位置果然出現了陰影，這說明從陰極確實發射出了一些東西（現在我們知道這就是電子）。他還發現即使將 金屬 換成透明的 雲母 也能產生陰影——這說明這種輝光不同於可見光。然而，要做出進一步的研究要真空度更高的真空管才行。

英國人克魯克斯在 1878 年利用一種水銀泵製造出了氣體含量僅為蓋斯勒管 1/75000 的被人們稱作克魯克斯管的真空管。克魯克斯注意到，當逐漸抽出管內的氣體時，克魯克斯管中的輝光區域逐退縮至陽極並且最終消失。他還進行了 4 個有趣的實驗來研究陰極射線：

1. 一根直真空管，管中放置一個由雲母做成的 風車 。當兩極都通上電後，風車彷彿被陰極射線推動而向陽極運動。將陰陽兩級反向後，風車又會向新的陽極運動。說陰極射線能夠產生 壓力 。

2. 一根 V 形真空管，兩端分別接上電源正負極。只有接電源負極的陰極才會發光。說明陰極射線沿直線傳播。

3. 兩個梨形真空管，分別放置不透明與透明的雲母作為障礙物。通電後均在陽極產生 影子 。說明光能穿透的物質陰極射線不能穿透。

4. 一根大正空管，陰極做成 凹面鏡 的形狀，陰極射線聚焦在一個點上。風車則位於一塊擋板的後面，陰極射線不能直接照射到。然後用磁鐵靠近真空管，使陰極射線聚焦的位置發生改變並照射到風車上，風車發生了轉動。說明陰極射線能夠因磁場而改變傳播路徑。

克魯克斯等英國物理學家認為陰極射線並不是 射線 而是一種帶電粒子。這一觀點遭到了以赫茲為首的德國物理學家的反對，赫茲提出，陰極射線能夠穿過薄的金屬箔，因此它不可能是粒子（事實上，如果金屬箔足夠薄，光線同樣也能通過）。同時， 赫茲 還在真空管的兩側施加了 電場 ，結果發現並沒有觀察到預期的偏轉（赫茲的電場加得不夠大，偏轉難以觀察到，用磁場會產生更好的效果），這更加堅定了他的信念。

赫茲的學生德國物理學家 勒納 在 1889 年 進行了深入實驗：他在陽極放置了薄的鋁箔，這樣就能把陰極射線導出到空氣中。勒納發現陰極射線在空氣中的性質同在真空管中的相同。 1895 年 ， 佩蘭 發現陰極射線能夠使真空管中的金屬物體帶上負電荷，支持了克魯克斯的理論。 1897 年 ， 劍橋大學卡文迪許實驗室 的 約瑟夫·湯姆生 重做了赫茲的實驗，他使用了真空度更高的真空管和更強的電場觀察出了陰極射線的偏轉並計算出了陰極射線粒子（電子）的質量，因此獲得了 1906 年 的 諾貝爾物理學獎 。湯姆生用 1891 年 斯托尼（ Stoney) 所起的名字——電子來稱呼這種粒子。至此，電子作為人類發現的第一個亞原子粒子和打開原子世界的大門被湯姆生發現了。

原子中的電子

在不同的時代，人們對電子在原子中的存在方式有過各種不同的推測。

最早的是湯姆生的葡萄乾麵包式：他認為電子在原子中均勻排列，就像 麵包 中的 葡萄 干一樣。

盧瑟福 的行星軌道式：盧瑟福在進行過 α粒子 散射實驗後認為，原子中的絕大部分質量都集中在小小的 原子核 中，原子中的絕大部分都是真空。而電子則像 行星 圍繞 太陽 運轉一樣圍繞著原子核運轉。這一模型對後世產生了巨大影響，直到現在，許多高科技組織和單位仍然使用電子圍繞著原子核的原子 圖像 來代表自己。

玻爾 的 殼層模型 ：在 經典力學 的框架之下，行星軌道式有一個嚴重的問題不能解釋：運動著的電子會產生電磁波，而產生電磁波就要消耗能量，最終電子將會一頭撞上原子核（就像能量耗盡的 人造衛星 最終會進入 地球大氣層 ）。因此，要解釋這一問題必須借助於 量子力學 的力量。玻爾借助於 氫原子光譜 和量子力學提出了他的殼層模型。在這一模型中，電子會在原子核外某一固定的軌道層上運動，層與層之間互不干擾。距離原子核越遠的電子層能量越高，電子躍遷到距離核更近的軌道上時會以光量子的形式施放出能量。相反的，從低層到高層則需要吸收能量。

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