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电子

/electron/
条目作者陈向军

陈向军

最后更新 2022-01-20
浏览 937
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带有单位负电荷的原子的基本构成粒子。

英文名称
electron
所属学科
物理学

电子属于第一代轻子,参与弱相互作用和电磁相互作用,是最早发现的亚原子粒子。原子是由一个带正电荷的原子核和若干带负电荷的电子组成的。

“电子”这个名词是1874年爱尔兰物理学家G.J.斯托尼提出的。他依据法拉第电解定律,认为任何电荷都由基元电荷组成,并将这个电荷的最小单位命名为电子。

1897年,英国物理学家J.J.汤姆孙通过一系列实验对阴极射线的特性进行了深入研究,证明阴极射线是由带负电的粒子组成的,并测定了阴极射线粒子的荷质比(电荷与质量之比)远远大于氢离子荷质比。由此他得出结论:阴极射线粒子是一种比氢原子小得多的带单位负电荷的粒子,爱尔兰物理学家G.F.菲茨杰拉德建议将其命名为“电子”。电子的发现揭示了原子具有内部结构,打破了原子是组成物质的最小单元的学说。

电子带负电荷,电荷量是一个单位的基元电荷。1909年前后,美国实验物理学家R.A.密立根和他的学生H.弗莱彻利用油滴实验对基元电荷量进行了精密的测量。实验装置的主体是一个水平放置的平行板空气电容器,加上一定电压可在平行板间产生静电场。将雾化器产生的细小油滴引入到两极之间,利用雾化过程的摩擦力或X射线照射使油滴带上电荷。测量油滴在重力、电场力、空气的黏滞阻力和浮力共同作用下的平衡收尾速度,可以计算出油滴所带电荷的大小。根据对数百个油滴测量结果的分析,他们得出结论,即油滴所带电荷总是一个基元电荷的整数倍。为了准确测量基元电荷量,还须对油滴在空气中的黏滞阻力进行修正,其原因是对微小的油滴而言空气不能再视为连续媒介。

基元电荷是一个基本物理常数。根据国际科学与技术数据委员会(CODATA)1998年的建议,不再是一个独立常数,而由其他基本常数导出。2014年CODATA的建议值为:

电子的质量比原子核的质量小很多,与氢原子核(即质子)相比,电子的质量约为其1/1836。电子的静止质量是电子处在静止状态时的质量,也是一个基本物理常数,可由里德伯常数、精细结构常数、普朗克常数和光速根据下式导出:


2014年CODATA的建议值为:


电子无结构,可视为携带点电荷的点粒子。离子阱囚禁单电子的实验表明电子半径的上限值约为10-22米。还有一个被称为“经典电子半径”的物理常数,是根据电子的经典相对论模型得到的,其值为2.817 940 3227(19)×10-15米(2014年CODATA的建议值),与实际的电子结构无关。

电子具有内禀角动量,即自旋,其自旋量子数为1/2。电子自旋角动量在特定方向上的投影值为〔式中,为约化普朗克常数〕。1925年,受奥地利物理学家W.泡利的启发,在分析原子光谱精细结构的基础上,两位荷兰物理学家G.E.乌伦贝克和S.A.古兹密特首先提出电子具有自旋的运动自由度。1928年,英国物理学家P.A.M.狄拉克给出了电子的相对论波动方程,从理论上直接得出电子具有内禀自旋角动量的结论。自旋量子数为1/2的电子是费米子,服从费米-狄拉克统计。

电子还具有与自旋对应的内禀磁矩,方向与自旋角动量相反,其大小为一个玻尔磁子(特定方向上投影的大小),2014年CODATA的建议值为:927.400 9994(57)×10-26焦/特。

电子具有波动性。1924年,法国理论物理学家L.V.德布罗意提出像电子这样的实物粒子也具有波动性,其波长为电子的动量)。1927年,电子的波动性分别独立地被美国科学家C.J.戴维森和L.H.革末及英国物理学家G.P.汤姆孙的晶体衍射实验所验证。在量子力学中,电子的波动用复形式的波函数描述,其模二次方表示电子在空间某处出现的概率密度。

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