電子


電子 （简体）

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電子
A glass tube containing a glowing green electron beam
克魯克斯管實驗可以示範出電子的粒子性質。在這圖片裡，從左往右直線移動的電子束，遇到一個十字形標靶，因而在真空管右面底端顯示出十字形陰影。
組成： 基本粒子
系： 費米子
群： 輕子
代： 第一代
基本交互作用： 重力，電磁力，弱核力
反粒子： 正子
發現： 約瑟夫·湯姆森(1897年)
符號： e−
質量： 9.109 382 15(45) × 10-31 kg[1]

5.485 799 094 3(23) × 10-4 amu[1]

0.510 998 910(13) MeV/c2[1]
平均壽命： 穩定
電荷： −1 e[note 1]
-1.602 176 487(40) × 10-19 C[1]
自旋： 1⁄2

電子（Electron）是一種帶有負電的亞原子粒子，通常標記為 e^- \,\! 。電子屬於輕子類，以重力、電磁力和弱核力與其它粒子交互作用。輕子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。電子帶有1/2自旋，是一種費米子。因此，根據包立不相容原理，任何兩個電子都不能處於同樣的狀態。電子的反粒子是正子，其質量、自旋、帶電量大小都與電子相同，但是電量正負性與電子相反。電子與正子會因碰撞而互相湮滅，在這過程中，創生一對以上的光子。

由電子與中子、質子所組成的原子，是物質的基本單位。相對於中子和質子所組成的原子核，電子的質量顯得極小。質子的質量大約是電子質量的1842倍。當原子的電子數與質子數不等時，原子會帶電；稱這原子為離子。當原子得到額外的電子時，它帶有負電，叫陰離子，失去電子時，它帶有正電，叫陽離子。若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，稱該物體帶靜電。當正負電量平衡時，稱物體的電性為電中性。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或聚氨酯漆，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。當電子脫離原子核的束縛，能夠自由移動時，則改稱此電子為自由電子。許多自由電子一起移動所產生的淨流動現象稱為電流。在許多物理現象裏，像電傳導、磁性或熱傳導，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。

根據大霹靂理論，宇宙現在所存在的電子，大部份都是創生於大霹靂事件。但是，有一小部份是因為放射性物質的β衰變或高能量碰撞而創生的。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的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，像國際熱核融合實驗反應爐，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。

電子的應用領域很多，像電子束焊接、陰極射線管、電子顯微鏡、放射線治療、雷射和粒子加速器等等。

目錄

歷史

早在古希臘時期，人們就發現摩擦過的琥珀（希臘語ήλεκτρον/ēlektron）能吸引輕小物體，他們稱這種現象為電(electricity)。

在中國，古人王充所著書籍《論衡》（約公元一世紀，即東漢時期）中有關於靜電的記載[2]：「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。但古文對於電並沒有更深入的了解。

探索與發現

生於十八世紀，富蘭克林對於電學貢獻良多。

英國人威廉·吉爾伯特、法國人查爾斯·杜菲等先後研究和發表了許多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彼德·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[3]。

到18世紀，美國人班傑明·富蘭克林意識到閃電與摩擦起電是相似的過程，並且做風箏實驗證實。富蘭克林認為在正常狀況，每一種物質都含有固定比例的電量。假設，經過某種程序，促使物體得到更多電，則稱此物體帶正電；假設，經過另一種程序，促使物體失去電，則稱此物體帶負電。假設，這兩個物體互相接觸到對方，電流會從帶正電物體流往帶負電物體，這樣，設定了電流方向（與我們今天認識到的電子流動方向正好相反）。

在黑暗中，做摩擦起電的動作，就能夠看到電火花。空中的閃電也是有顏色的。可是要研究電流本身的顏色，必須有一個能夠提供長時間持續平穩電流的電源，並且，這電流必需是在真空中放電形成的才行。上述幾位研究者都無法得到這種電源，義大利人亞歷山德羅·伏打發明的伏打電堆則解決了這一問題。後來，麥可·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海因里希·蓋斯勒完成，這位傑出的吹管工人，做成了一台以水銀的往複運動為原理的真空泵。他又利用這台真空泵，製造出當時世界上最純的真空管，後來稱為蓋斯勒管。19世紀50年代，德國物理學家尤利烏斯·普呂克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電，便出現了輝光放電現象。普呂克和他的學生約翰·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[3]。

德國人尤金·高德斯坦後來將不同的氣體釋入真空管，並且用不同的金屬做電極，但都得到同樣的實驗結果。於是，他認為這種輝光與電流本身有關，並且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十字形陰影，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需要真空度更高的真空管。

英國人威廉·克魯克斯在1878年利用一種水銀真空泵，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，當逐漸抽出克魯克斯管內的氣體時，陰極附近開始出現黑暗區域，隨著真空度的增加，這黑暗區域也會擴張。克魯克斯認為，這現象與陰極粒子的平均自由徑有關；黑暗區域與輝光區域的界面，即為粒子與氣體分子相互碰撞的起始面；在黑暗區域內，沒有什麼碰撞；而在輝光區域，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[3]。他還進行了4個有趣的實驗來研究陰極射線[4]：

  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。說明陰極射線能夠產生壓力。但是，物理學家很快地就發現，這現象並不是由壓力促成的，而是由熱流促成的。一直要等到1899年，彼德·雷博德的實驗才會將陰極射線能夠產生壓力這論點給與正確的證實[3]。
  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。這觀點遭到了以海因里希·赫茲為首的德國物理學家的反對。赫茲的學生德國物理學家菲利普·萊納德在1889年進行了一個實驗：他在陽極安裝了薄鋁箔窗，這樣就能把陰極射線導出到空氣中。赫茲提出，陰極射線能夠穿過薄金屬箔，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。

約瑟夫·湯姆森，電子的發現者。

1895年，讓·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·湯姆森重做了赫茲的實驗。使用真空度更高的真空管和更強的電場，他觀察出陰極射線的偏轉，並計算出了陰極射線粒子（電子）的電荷質量比，因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。湯姆森採用1891年喬治·斯托尼所起的名字——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森發現了。

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和貝他粒子（「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，鐳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[3]

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。湯姆森和學生約翰·湯森德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，他們也得到了相似結果[5]。於1911年，亞伯蘭·約費使用帶電金屬微粒，獨立地得到同樣的結果[6]。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[7]。

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、過飽和的水蒸氣凝結成小霧珠。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[8]。

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 n\,\! 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。

最早的原子模型是湯姆森的梅子布丁模型。發表於1904年，湯姆森認為電子在原子中均勻排列，就像帶正電布丁中的帶負電梅子一樣。1909年，著名的拉塞福散射實驗徹底地推翻了這模型。

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，原子的絕大部分質量都集中於小小的原子核，原子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。

在古典力學的框架之下，行星軌道模型有一個嚴重的問題不能解釋：呈加速度運動的電子會產生電磁波，而產生電磁波就要消耗能量；最終，耗盡能量的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）。於1913年，尼爾斯·波耳提出了波耳模型。在這模型中，電子運動於原子的某一特定的軌域。距離原子核越遠，軌域的能量就越高。當電子從距離原子核更遠的軌域，躍遷到距離原子核更近的軌域時，會以光子的形式釋放出能量。相反的，從低能級軌域躍遷到高能級軌域則會吸收能量。藉著這些量子化軌域，波耳正確地計算出氫原子光譜[9]。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[10]。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·路易士成功地解釋了原子與原子之間的交互作用。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[11]。於1923年，沃爾特·海特勒和弗里茨·倫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[12]。於1919年，歐文·蘭米爾將路易士的立方原子模型加以發揮，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[13][14]。

於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，稱為包立不相容原理）。這一組參數的前三個參數分別為主量子數、角量子數和磁量子數。第四個參數只能有兩種選擇。於1925年，荷蘭物理學家撒姆耳·高斯密特和喬治·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[15]。

量子力學

參見：量子力學史

1924年，法國物理學家路易·德布羅意在他的博士論文《量子理論研究》（《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[16]。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，會產生干涉圖案於偵測屏障，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·戴維森和雷斯特·革末用鎳晶體，分別將電子的干涉效應顯示於偵測屏障[17]。

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[18]。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的譜線，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[19]。薛丁格的點子，為量子力學創立了一個嶄新的發展平台。

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[20]。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形，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）[21]。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。

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·庫施和亨利·福立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·施溫格和理察·費曼，於1940年代，創建了量子電動力學[22]。

粒子加速器

主條目：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[23]。1942年，唐納德·克斯特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2.3百萬電子伏（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[24]。

1968年，第一座粒子束能量高達1.5兆電子伏（GeV），名為大儲存環對撞機的粒子對撞機，在義大利的核子物理國家研究院開始運作。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[25]。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的大型電子正子對撞器，能夠實現高達209GeV的碰撞能量。這對撞器曾經完成多項實驗，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[26]。

物理特性

分類

A table with four rows and four columns, with each cell containing a particle identifier
基本粒子的標準模型。電子位於左下方。

在粒子物理學裏，根據標準模型，電子屬於亞原子粒子中的輕子類。電子是基本粒子。在所有帶電的輕子中，電子的質量最小，屬於第一代基本粒子。渺子和陶子分別為第二代和第三代的輕子。它們的電荷量、自旋和基本交互作用，都與電子相同；質量都大於電子。輕子與夸克的主要不同點是輕子不以強核力與其它粒子交互作用。輕子的自旋是半奇數。凡是自旋為半奇數的粒子都是費米子。所以，輕子是費米子。電子的自旋是 1/2\,\!。

基本性質

電子的質量大約為9.109 × 10-31公斤或5.489 × 10-4amu[1]。根據阿爾伯特·愛因斯坦的質能等價原理，這質量等價於0.511 MeV靜止能量。質子質量大約為電子質量的1836倍[27]。天文測量顯示出，至少在最近這半個宇宙的年齡期間，這質量比例都保持穩定不變，就如同標準模型所預測的一樣[28]。

電子帶有的電量是基本電荷電量：-1.602 × 10-19庫侖[1]。這是亞原子粒子所使用的電荷單位的電量。有些物理學家會提出疑問：電子與質子的絕對帶電量是否有可能不相等？很遺憾的是，選用最尖端、最準確的儀器於精心設計的實驗，物理學家仍舊無法對這疑問給予明確的解答[29]。基本電荷通常用符號 e\,\! 表示。電子用符號 e^- \,\! 表示；正子用符號 e^+ \,\! 表示；其中，正負號分別表示帶有正負電荷。除了帶有電荷的正負號不同以外，正子與電子的其它性質都相同。

電子擁有內在的角動量，稱為自旋。電子的自旋量子數為 s=1/2\,\!。通常，當談到這性質時，電子會被指為是一種自旋1/2粒子。對於這種粒子，自旋角動量是\sqrt{3}\hbar/2\,\![note 2]。任何有關自旋的射影於任意坐標軸的測量，得到的答案只能為\pm \hbar/2\,\!。沿著自旋軸，電子的內在磁矩大約為1波耳磁元，或9.274 009 15(23) × 10−24焦耳/特斯拉[1]。電子的自旋對於動量方向的投影，是電子的螺旋性。

電子沒有任何次結構[30]。物理學家認為電子是一個點粒子，不佔有任何空間[31]。從觀測束縛於潘寧阱內的電子而得到的實驗結果，物理學家推斷電子半徑的上限為10−22公尺[32]。經典電子半徑是2.8179 × 10-15。這個結果是從經典電動力學和狹義相對論的理論推論出來的，並沒有使用到任何量子力學理論[note 3]。

很多基本粒子會自發衰變成質量更輕的粒子，渺子就是一個很好的例子。平均壽命為2.2 × 10-6秒的渺子會衰變成一個電子、一個微中子和一個反微中子。從現有理論論證，電子是很穩定的：電子是質量最輕的帶電粒子，它的衰變會違反電荷守恆定律。電子平均壽命的實驗最低限是4.6 × 1026年，置信區間是90%[33]。

量子性質

圖(11)，經過一段時間，抵達偵測屏障的電子，一顆顆地累積，顯示出干涉圖案

如同所有其它粒子，電子具有粒子性和波動性。這性質稱為波粒二象性。在雙縫實驗裏，電子的波動性質，使得通過兩條狹縫的電子波互相干涉，造成了顯示於偵測屏障的明亮條紋和黑暗條紋，這就是雙縫實驗特徵的干涉圖案。使用更高階的實驗設備，可以觀測到，電子總是以一顆顆粒子的方式抵達偵測屏障[34]。電子的波動行為可以用複值的含時波函數 \psi\,\! 來描述。波函數在某位置 \mathbf{r}\,\! 與時間 t\,\! 的值 \psi(\mathbf{r},\,t)\,\! ，稱為量子幅。電子在時間 t\,\! 處於位置 \mathbf{r}\,\! 的機率密度是量子幅的絕對值的平方 |\psi(\mathbf{r},\,t)|^2\,\! 。

A three dimensional projection of a two dimensional plot. There are symmetric hills along one axis and symmetric valleys along the other, roughly giving a saddle-shape
在二維盒子內的兩顆全同費米子的反對稱波函數。假若粒子對換位置，波函數的正負號也會改變。

電子是全同粒子。沒有任何方法能夠分辨出一個電子與另一個電子有甚麼不同；沒有任何方法能夠區分出，在一群電子之中，哪一個電子是哪一個電子。在量子力學裏，這意味著一對交互作用的電子，必須能夠對換位置，而不會造成整個系統任何可觀測到的改變。費米子（包括電子）的波函數是反對稱的：假若兩個電子 A 、B 對換位置 \mathbf{r}_1\,\! 、\mathbf{r}_2\,\! ，則整個系統的波函數的正負號會改變；也就是說 \psi(\mathbf{r}_1,\,\mathbf{r}_2)= - \psi(\mathbf{r}_2,\,\mathbf{r}_1)\,\! 。在這公式內，波函數 \psi\,\! 的第一個參數設定電子 A 的位置，第二個參數設定電子 B 的位置。所以，在左手邊，電子 A 的位置是 \mathbf{r}_1\,\! ，電子 B 的位置是 \mathbf{r}_2\,\! ；而在右手邊，電子 A 的位置是 \mathbf{r}_2\,\! ，電子 B 的位置是 \mathbf{r}_1\,\! 。左手邊波函數的數值是右手邊波函數的數值乘以 -1 。由於，取絕對值這動作抵銷了乘以 -1 的效應。對換位置不會改變系統的機率密度。

假設兩個電子都佔有同樣的位置 \mathbf{r}_0\,\! ，那麼，\psi(\mathbf{r}_0,\,\mathbf{r}_0)= - \psi(\mathbf{r}_0,\,\mathbf{r}_0)\,\! 。這公式的唯一解答是 \psi(\mathbf{r}_0,\,\mathbf{r}_0)=0\,\! 。所以，兩個電子佔有同樣的位置的機率是 0 。這結果就是著名的包立不相容原理：任意兩個電子都不能佔有同樣的量子態。這原理解釋了許多有關電子在原子內的性質。例如，在原子內，一個原子軌域裏，最多只能有兩個束縛電子，為了符合反對稱性，一個電子的自旋往上，另一個電子的自旋往下；而不是所有的束縛電子都佔有同樣一個最低能級的軌域。

虛粒子

主條目：虛粒子

物理學家認為，空間會繼續不停地創生一對一對的虛粒子，像正子-電子虛偶，而在生存短暫的一段時間後，這些成對的虛粒子會互相摧毀對方[35]。在這過程裏，創生虛粒子所需要的能量漲落 \Delta E\,\! ，虛粒子能夠被偵測所需要的存在時間 \Delta t\,\! ，都綜合地表達於海森堡不確定原理所設定的偵測底限， \Delta E \Delta t \ge \hbar\,\! ；其中，\hbar\,\! 是約化普朗克常數。實際而言，創生這些虛粒子所需要的能量 \Delta E\,\! ，可以從真空暫時借用一段時間 \Delta t\,\! ，只要它們的乘積小於約化普朗克常數 \hbar\,\! 就行。這樣，理論上不會被儀器偵測出來，也不會違反海森堡不確定原理。根據這推理，對於虛電子，\Delta t\,\! 最多是 1.3 × 10−21秒[note 4]。

A sphere with a minus sign at lower left symbolizes the electron, while pairs of spheres with plus and minus signs show the virtual particles
略圖顯示電子-正子虛偶的隨機性地出現於一個電子（左下方）的附近。

如右圖，電子-正子虛偶會隨機性地出現於一個電子（圖內左下方）的附近。當電子-正子虛偶尚然存在的時候，新創生的正子，會感受到原本電子施加的吸引性庫侖力；而新電子則會感受到排斥性庫侖力。這現象稱為真空極化。真空變得好像一個具有電容率 \epsilon > 1\,\! 的介電質。因此，電子的有效電荷量變得小於真實值量，而且隨著離原本電子距離的增加而遞減[36]。通過1997年用日本崔斯坦粒子加速器所做的實驗，真空極化理論得到了強有力的證實[37]。對於電子的質量，虛粒子也會造成屏蔽效應[38]。

虛粒子交互作用能夠解釋，在電子的內在磁矩與波耳磁元之間，微小的偏差（大約是磁矩的0.1%），稱為異常磁矩[39]。這理論結果超特準確地與實驗測定的數值相符合。無可否認地，在這裡，量子電動力學交出了一份漂亮的成績單[40]。

在經典物理裏，一個物體的角動量和磁矩相依於其物理尺寸。因此，無尺寸電子擁有這些性質的概念實在令人百思。一個可能合理的解釋為，在電子本身所產生的電場，能夠創生虛光子。這些虛光子促使電子快速地震顫，稱為顫動，因而造成電子的進動。經過過濾掉漲落後，淨運動是圓周運動。這奇特的運動造成了電子的自旋和磁矩[31][41]。在原子裏，做譜線實驗觀察到的蘭姆位移，可以用虛光子創生的理論來解釋[36]。

交互作用

一個電子所產生的電場，除了會施加吸引力於像質子一類的帶正電粒子，還會施加排斥力於帶負電粒子。這些作用力遵守庫侖定律。根據經典電動力學，一個任意移動的帶電粒子，必須經過一段時間之後，才能夠將其影響傳播到場位置，產生對應的推遲勢，稱為黎納-維謝勢。這一段時間的長短相依於帶電粒子位置與場位置之間距離的遠近。任意移動的帶電粒子所產生的電場和磁場，可以從黎納-維謝勢求得，也可以用傑斐緬柯方程式計算出來。應用狹義相對論，也可以推導出同樣的結果。一群電子在空間中的移動形成了電流。安培定律專門描述電流與其產生的磁場之間的關係。

帶有不同電量 q\,\!\,\! 的粒子，由於磁場 \mathbf{B}\,\!\,\! （磁場方向從銀幕內指出來）的影響，會感受到勞侖茲力的作用，因而呈現的可能運動軌道。

一個移動於磁場的電子，會感受到勞侖茲力的作用。這勞侖茲力垂直於磁場與電子速度兩個向量所決定的平面，是向心力，促使電子按照螺旋軌道移動於磁場。螺旋軌道的半徑稱為迴轉半徑。由於螺旋運動涉及加速度，電子會發射電磁輻射。對於這過程，非相對論性電子發射的電磁輻射稱為迴旋輻射；而相對論性電子發射的則稱為同步輻射[42]。發射電磁輻射的同時，電子也會感受到一種反衝力，稱為阿布拉罕-勞侖茲-狄拉克力，使得電子的移動速度減緩。阿布拉罕-勞侖茲-狄拉克力，是由電子自身產生的電磁場，施加於自己本身的作用力[43]。

A curve shows the motion of the electron, a red dot shows the nucleus, and a wiggly line the emitted photon
在此圖裏，一個電子移動於原子核所產生的電場，會被電場的庫侖力偏轉，因而發射制動輻射。電子的能量的改變 E_2 - E_1\,\! ，決定了發射光子的頻率。

在量子電動力學裏，粒子與粒子之間的電磁交互作用，是由光子做媒介來傳達。一個不呈加速度運動的孤立電子，是無法發射或吸收真實光子的。因為，這樣做會違背能量守恆定律和動量守恆定律。然而，虛光子不須遵守這禁忌。虛光子可以擔當傳輸動量於兩個帶電粒子之間的責任。例如，兩個帶電粒子互相交換虛光子這動作，造成了庫侖力[44]。假設，一個移動中的電子，感受到一個帶電粒子（像質子）所產生的電場的庫侖力，而產生偏轉，則電子會因為加速度運動而發射電磁輻射，稱為制動輻射[45]。

康普頓散射是光子與自由電子之間的彈性碰撞。這種碰撞涉及動量和能量的傳輸於兩個粒子之間，會改變光子的波長。改變的波長差值稱為康普頓位移[note 5]。這差值的最大值，稱為康普頓波長[46] ，以方程式表達為 h/m_e c\,\! ；其中，h\,\! 是普朗克常數，m_e\,\! 是電子質量，c\,\! 是光速。電子的康普頓波長為2.43 × 10−12 m[1]。對於長波長的光波（例如，可見光的波長域為0.4–0.7 μm），康普頓波長會顯得相當微小，稱這種散射為湯姆森散射。

當電子與正子相互碰撞時，它們會互相湮滅對方，同時創生兩個以上，偶數的伽馬射線光子，以180°相對角度發射出去。假若，可以忽略電子和正子的動量，則這碰撞可能會先形成正子電子偶原子，然後再湮滅成為兩個0.511 MeV伽馬射線光子。

逆反過來，高能量光子可以轉變為一個電子和一個正子，這程序稱為成對產生。但是，由於違背了動量守恆定律，單獨光子不可能會發生成對產生。在帶電粒子附近，能量大於1.022 Mev的光子，由於庫侖作用，有可能發生成對產生[47]。

根據電弱交互作用理論，左手手征性的電子微中子會形成弱同位旋二重態。在電弱交互作用的同時，電子微中子的物理行為很像電子。二重態的任何一個成員，都可以發射或吸收一個弱玻色子，從而轉變為另為一個成員。這過程稱為帶電流交互作用。因為弱玻色子帶有一單位電荷，抵消了在遷變時，任何淨電量變化，這過程遵守電荷守恆定律。放射性原子貝他衰變現象發生的原因就是帶電流交互作用。電子和微中子可以互相交換Z0玻色子，這過程稱為中性流交互作用，是發生微中子-電子彈性散射的原因[48][49]。

原子和分子

主條目：原子
電子的機率密度繪圖。橫排顯示不同的角量子數 \ell\,\! ,豎排顯示不同的能級 n\,\! 。

原子內部有一個原子核與一群被原子核束縛的電子。由於庫侖力的作用，原子內的電子被原子核吸引與束縛。假若，束縛電子的數目不等於原子核的質子數目，則稱此原子為離子。在原子內，原子軌域描述束縛電子的物理行為。每一個原子軌域都有自己獨特的一組離散的量子數，像主量子數、角量子數和磁量子數。對於原子軌域，主量子數設定能級，角量子數給出軌角動量，而磁量子數則是軌角動量對於某特定軸的（量子化的）投影。根據包立不相容原理，每一個原子軌域只能被兩個電子佔據，而這兩個電子必須有反對稱的的自旋波函數，一個自旋向上，另一個自旋向下。

處於一個軌域的電子，經過發射或吸收光子的過程，可以躍遷至另外一個軌域。發射或吸收的光子的所涉及的能量必須等於軌域能級的差值。除了這種方法以外，電子也可以藉著與它粒子的碰撞，或靠著奧杰效應，躍遷至別的軌域[50]。假若，給予束縛電子的能量大於其束縛能，則這束縛電子可以逃離原子，成為自由電子。例如，在光電效應裏，一個能量大於原子電離能的入射光子，被電子吸收，使得電子有足夠的能量逃離原子。

電子的軌角動量是量子化的。由於電子帶有電荷，其軌磁矩與軌角動量成正比。原子的淨磁矩是原子核與每一個電子的軌磁矩和自旋磁矩的總向量和（欲知道更詳細的資料，請參閱自旋-軌道作用）。但是，與電子的磁矩相比，核磁矩顯得超小，可以忽略。處於同樣軌域的兩個偶電子會互相抵銷對方的自旋磁矩[51]。

原子與原子之間的化學鍵是因為電磁作用而形成的，這物理行為可以用量子力學理論來描述。幾種常見的化學鍵為離子鍵、共價鍵和金屬鍵。在離子化合物裏，正離子和負離子會通過靜電作用形成離子鍵。在共價化合物裏，原子與原子之間通過共用電子形成共價鍵。在金屬裏，自由電子與排列成晶格狀的金屬離子之間的靜電吸引力形成金屬鍵。分子是由多個原子在共價鍵中透過共用電子連接一起而形成。在分子內部，電子的運動會同時感受到幾個原子核的影響。電子佔有分子軌域，就好像在孤獨原子內部佔有原子軌域一樣。在分子結構裏，一個很重要的因素是電子偶的存在。電子偶是兩個自旋相反的電子組成；遵守包立不相容原理，這兩個電子共處於同一個分子軌域，就好像處於同一個原子軌域一樣。不同的分子軌域有不同的電子機率密度分佈。例如，共價鍵電子偶（實際連接原子在一起的共價鍵的電子偶）的電子，最常處於原子之間比較小的空間。反過來說，非共價鍵電子偶的電子會分佈於環繞著原子核的比較大的空間[52]。

電傳導和熱傳導

Four bolts of lightning strike the ground
自然界閃電是電的一種現象，閃電主要是由電子的流動所造成的。

假若，一個物體所擁有的電子數量與質子數量不相等，則此物體帶有淨電荷。當電子數量比較多的時候，稱此物體帶有負電；而當電子數量比較少的時候，稱此物體帶有正電；又當電子數量與質子數量相等時，稱此物體為電中性。一個巨觀物體可以通過摩擦而帶有淨電荷，稱此效應為摩擦起電效應。

移動於真空的獨立電子稱為自由電子。自由電子不束縛於原子內。在金屬內的電子的物理行為好似自由電子。實際而言，這些在金屬內的電子是準電子。更仔細而言，它們是準粒子，所擁有的電荷量、自旋、磁矩，與真實電子的等值；但是有效質量不等值[53]。當自由電子移動於金屬或真空時，它們會造成電荷的淨流動，稱為電流。載流導線是載有電流的導線。環繞著載流導線的四周，會生成磁場；而隨著時間而改變的磁場，稱為含時磁場，又會生成電流。這些電磁現象的物理行為，可以用馬克士威方程式組來描述。

電導率是表示物質傳輸電流的能力的一種測量值。當施加電壓於導體的兩端時，電子會從低電勢處朝著高電勢處移動，因而產生電流。依照慣例，對於導體，電流的方向與電子移動的方向恰巧相反。銅和金都是優良導體；而玻璃和橡膠則都是不良導體。在介電質裏，電子束縛於各自所屬的原子內，介電質的性質就好像絕緣質一樣。金屬物質擁有電子能帶結構，其電子能帶還沒有完全被電子填滿。這些尚未填滿的電子能帶，容許金屬內一些電子的舉止，好似自由電子或離域電子一般，與任何一個原子都沒有連結。當施加電場於金屬時，這些電子可以自由的移動於金屬，就像氣體移動於其容器內一般，稱這些電子為費米氣體[54]。

在導體裏，由於電子與原子之間的碰撞，電子的漂移速度大約為每秒幾公分。但是，在導體內部某位置電子密度的變化，傳達到其它位置的速度，稱為傳播速度，通常大約是光速的75%。這是因為電子訊號的傳播類似光波，傳播速度與物質的相對電容率有關[55]。

金屬的熱傳導性良好。主要原因是[[離域電子]可以在原子與原子之間自由的傳輸熱能。但是，與電導率不同的是，熱導率幾乎與溫度無關。維德曼-夫蘭茲定律清楚的闡明這關係：熱導率與電導率的比率跟溫度成正比[56]。金屬晶格因熱能而產生的無序現象，使得物質的電阻率增加，從而造成電導率與溫度有關[57]。

當降低溫度至低於臨界溫度時，物質會發生相變，從一種相態忽然變成另一種相態。假若在這同時，出現電阻變為零的現象，電流可以毫無損耗的流動於物質，則稱此現象為超導現象。BCS理論是解釋這超導現象的量子理論。BCS理論認為，這量子行為可以用庫珀對模型來解釋。庫珀對是處於玻色-愛因斯坦凝聚量子態的成對的電子；它們的運動，通過晶格的振動（稱為聲子），與鄰近原子耦合，因此避免了與原子碰撞的機會。這樣，就不會有電阻出現了[58]。高溫超導現象的運作機制與基礎理論仍舊不清楚。

在固態導體內，電子是準粒子。當將溫度嚴格地控制於接近絕對零度時，電子的物理行為變得好像分裂為另外兩個準粒子，旋子和洞子。旋子擁有自旋和磁矩；而洞子則帶有電荷[59]。

相對論性電子的性質

根據愛因斯坦的狹義相對論，相對於觀測者的參考系，電子的移動速度越快，電子的相對論性質量（總能量）也越大，因而使得電子繼續加速所需要的能量越來越大，在接近光速時，趨向於無窮大。因此電子的移動速度可以接近光波在真空的傳播速度 c\,\! ，但絕不會達到 c\,\! 。

光波傳播於像水一類的介電質的速度 v_L\,\! ，會明顯地小於 c\,\! 。假設，將相對論性電子（電子的速度接近 c\,\! ）入射於這一類的介電質，則相對論性電子在此介電質內的移動速度，會暫時地大於光波傳播於此介電質的速度 v_L\,\! 。當相對論性電子移動於此類介電質內部時，由於與介電質交互作用，會產生一種很微弱的輻射，稱為契忍可夫輻射[60]。

The plot starts at zero and curves sharply upward toward the right
勞侖茲因子與速度的關係線圖。當速度超小於 c\,\! 時，勞侖茲因子大約為 1 ，當速度趨向 c\,\! 時，勞侖茲因子趨向無限大。

狹義相對論的效應要視勞侖茲因子的大小而決定。勞侖茲因子 \gamma\,\! 以方程式定義為

\gamma\stackrel{def}{=}1/\sqrt{1 - v^2/c^2}\,\! ；

其中，v\,\! 是粒子的速度。

一個電子的動能 K_e\,\! 是

K_e = (\gamma - 1)m_e c^2\,\!；

其中，m_e\,\! 是電子的靜質量。

例如，史丹佛直線加速器可以將電子加速到大約51 GeV[61]。由於電子的靜質量大約為0.51 MeV，對應的 \gamma\,\! 值接近100,000。給予同樣的速度，這電子的相對論性動量 \gamma m_e v\,\! 是經典力學預測的動量 m_e v\,\! 的100,000倍[note 6]。

電子也擁有波動行為，其德布羅意波長 \lambda\,\! 以方程式表達為 \lambda=h/p\,\! ；其中，h\,\! 是普朗克常數，p\,\! 是動量[16]。對於前述的51 GeV電子，\lambda\,\! 大約為2.4 × 10-17，這波長的尺寸相當微小，所以，實驗者可以用電子來精密地探測原子核的內部結構[62]。

電子天文學理論

A photon strikes the nucleus from the left, with the resulting electron and positron moving off to the right
高能量光子能夠與原子核的庫侖場交互作用，從而創生電子和正子。這過程稱為電子正子成對產生。

在眾多解釋宇宙早期演化的理論中，大霹靂理論是比較能夠被物理學界廣泛接受的科學理論。在大霹靂的最初幾秒鐘時間，溫度遠遠高過100億K。那時，光子的平均能量超過1.022 MeV很多，有足夠的能量來創生電子和正子對。這過程稱為電子正子成對產生，以公式表達為

\gamma + \gamma \leftrightharpoons \mathrm e^{+} + \mathrm e^{-}\,\! ；

其中，\gamma\,\! 是光子，\mathrm e^{+}\,\! 是正子，\mathrm e^{-}\,\! 是電子。

同時，電子和正子對也在大規模地相互湮滅對方，並且發射高能量光子。在這短暫的宇宙演化階段，電子，正子和光子努力地維持著微妙的平衡。但是，因為宇宙正在快速地膨脹中，溫度持續轉涼，在10秒鐘時候，溫度已降到30億K，低於電子-正子創生過程的溫度底限100億K。因此，光子不再具有足夠的能量來創生電子和正子對，大規模的電子-正子創生事件不再發生。可是，電子和正子還是繼續不段地相互湮滅對方，發射高能量光子。由於某些尚未確定的因素，在輕子創生過程中，創生的電子多於正子。否則，假若電子數量與正子數量相等，現在就沒有電子了！大約每10億個電子中，會有一個電子經歷了湮滅過程而存留下來。不只這樣，由於一種稱為重子不對稱性的狀況，質子的數目也多過反質子。很巧地，電子存留的數目跟質子多過反質子的數目正好相等。因此，宇宙淨電荷量為零，呈電中性[63]。

假若溫度高於10億K，任何質子和中子結合而形成的重氫，會立刻被高能量光子光解。在大霹靂後100秒鐘，溫度已經低於10億K，質子和中子結合而成的重氫，不再會被高能量光子光解，存留的質子和中子開始互相參予反應，形成各種氫的同位素和氦的同位素，和微量的鋰和鈹。這過程稱為太初核合成[64]。在大約1000秒鐘時，溫度降到低於4億K。核子與核子之間，不再能靠著高速度隨機碰撞的機制，克服庫侖障壁，互相接近，產生核融合。因此，太初核合成過程無法進行，太初核合成階段大致結束。任何剩餘的中子，會因為半衰期大約為614秒的負貝他衰變，轉變為質子，同時釋出一個電子和一個反電子微中子：

\mathrm n \Rightarrow \mathrm p + \mathrm e^{-} + \bar{\mathrm \nu}_\mathrm e\,\! ；

其中，\mathrm n\,\! 代表中子，\mathrm p +\,\! 代表質子，\bar{\mathrm \nu}_\mathrm e\,\! 代表反電子微中子。

在以後的377,000年期間，電子的能量仍舊太高，無法與原子核結合。在這時期之後，隨著宇宙逐漸地降溫，原子核開始束縛電子，形成中性的原子。這過程稱為復合。在這相當快的復合過程時期之後，大多數的原子都成為中性，光子不再會很容易地與物質交互作用。光子也可以自由地移動於透明的宇宙[65]。

大霹靂的一百萬年之後，第一代恆星開始形成[65]。在恆星內部，恆星核合成過程的各種核融合，會造成正子的創生（參閱質子-質子鏈反應和碳氮氧循環）。這些正子立刻會與電子互相湮滅，同時釋放伽瑪射線。結果是電子數目穩定地遞減，跟中子數目對應地增加。恆星演化過程會合成各種各樣的放射性同位素。有些同位素隨後會經歷負貝他衰變，同時發射出一個電子和一個反電子微中子結果是電子數目增加，跟中子數目對應地減少。例如，鈷-60(60Co)同位素會因衰變而形成鎳-60[66]。

質量超過20太陽質量的恆星，在它生命的終點，會經歷到重力坍縮，因而變成一個黑洞[67]。按照相對論理論，黑洞所具有的超強重力，足可阻止任何物體逃離，甚至電磁輻射也無法逃離。但是，物理學家認為，量子力學效應可能會允許電子和正子創生於黑洞的事件視界，因而使得黑洞發射出霍金輻射，。

當一對虛粒子，像正子-電子虛偶，創生於事件視界或其鄰近區域時，這些虛粒子的隨機空間分佈，可能會使得其中一個虛粒子，出現於事件視界的外部。這過程稱為量子穿隧效應。黑洞的重力勢會供給能量，使得這虛粒子轉變為真實粒子，輻射逃離黑洞。這輻射程序稱為霍金輻射。在另一方面，這程序的代價是，虛偶的另一位成員得到了負能量。這會使得黑洞淨損失一些質能。霍金輻射的發射率與黑洞質量成反比；質量越小，發射率越大。這樣，黑洞會越來越快地蒸發。在最後的0.1秒，超大的發射率可以類比於一個大霹靂[68]。

A branching tree representing the particle production
高能量宇宙線入射於地球大氣層，造成了一陣持久的空中射叢。

宇宙線是遨遊於太空的高能量粒子。物理學者曾經測量到能量高達3.0 × 1020 eV的粒子[69]。當這些粒子進入地球的大氣層，與大氣層的核子發生碰撞時，會創生一射叢的粒子，包括π介子[70]。渺子是一種輕子，是由π介子在高層大氣衰變而產生的。在地球表面觀測到的宇宙線，超過半數是渺子。半衰期為2.2微秒的渺子會因衰變而產生一個電子或正子。正確的π−介子反應式為[71]

\mathrm \pi^{-} \Rightarrow \mathrm \mu^{-} + \bar{\mathrm \nu}_{\mathrm \mu}\,\! ，
\mathrm \mu^{-} \Rightarrow \mathrm e^{-} + \bar{\mathrm \nu}_\mathrm e +\mathrm \nu_{\mathrm \mu}\,\! ；

其中，\mathrm \mu^{-}\,\! 是渺子，\mathrm \nu_{\mathrm \mu}\,\! 是緲子微中子，\bar{\mathrm \nu}_{\mathrm \mu}\,\! 是反緲子微中子，\bar{\mathrm \nu}_\mathrm e\,\! 是反電子微中子。

觀測

電漿燈內部的電子與離子重結合以後，從激發態躍遷至較低能級的量子態，同時釋放出電磁輻射。由於電磁輻射的頻率與電漿材料的性質有關，因而會顯示出各種不同的顏色。

靠著偵測電子的輻射能量，天文學家可以遠距離地觀測到電子的各種現象。例如，在像恆星日冕一類的高能量環境裏，自由電子會形成一種藉著制動輻射來輻射能量的電漿。電子氣體的電漿振盪是一種波動，是由電子密度的快速震盪所產生的波動。這種波動會造成能量的發射。天文學家可以使用無線電望遠鏡來偵測這能量[72]。

根據普朗克關係式，光子的頻率與能量成正比。當一個束縛電子躍遷於原子的不同能級的軌域之間時，束縛電子會吸收或發射具有特定頻率的光子。例如，當照射寬帶光譜的光源所產生的光波於原子時，特徵吸收光譜會出現於透射輻射的光譜。每一種元素或分子會顯示出一組特徵吸收光譜，像氫光譜。光譜學專門研究光譜線的強度和寬度。細心分析這些數據，即可得知物質的組成元素和物理性質[73]。

在實驗室操控條件下，電子與其它粒子的交互作用，可以用粒子偵測器來仔細觀察。電子的特徵性質，像質量、自旋和電荷等等，都可以加以測量檢驗。四極離子阱和潘寧阱可以長時間地將帶電粒子限制於一個很小的區域。這樣，科學家可以準確地測量帶電粒子的性質。例如，在一次實驗中，一個電子被限制於潘寧阱的時間長達10個月之久[74]。1980年，由於各種先端科技的成功發展，電子磁矩的實驗值已經達到11個位數的精確度。在那時候，是所有由實驗得到的物理常數中，精確度最高的物理常數[75]。

2008年2月，隆德大學的一組物理團隊首先拍攝到電子能量分佈的視訊影像。科學家使用非常短暫的閃光，稱為阿托秒脈衝，率先捕捉到電子的實際運動狀況[76]。

在固態物質內，電子的分佈可以用角分辨光電子譜來顯像。應用光電效應理論，這科技照射高能量輻射於樣品，然後測量光電發射的電子動能分佈和方向分佈等等數據。仔細地分析這些數據，即可推論固態物質的電子結構[77]。

應用領域

電子束

A violet beam from above produces a blue glow about a Space shuttle model
在一次美國國家航空暨太空總署的風洞試驗中，電子束射向太空梭的迷你模型，模擬返回大氣層時，太空梭四週的游離氣體[78]。

電子束焊接是應用於焊接領域的電子束科技。這焊接技術能夠將高達107瓦特／公分2能量密度的熱能，聚焦於直徑為0.3–1.3公釐的微小區域。使用這技術，技工可以焊接更深厚的物件，限制大部分熱能於狹窄的區域，而不會改變附近物質的材質。為了避免物質被氧化的可能性，電子束焊接必須在真空內進行。不適合使用普通方法焊接的傳導性物質，可以考慮使用電子束焊接。在核子工程和太空工程裏，有些高價值焊接工件不能接受任何瑕疵。這時候，工程師時常會選擇使用電子束焊接來達成任務[79][80]。

電子束平版印刷術是一種解析度小於1公釐的蝕刻半導體的方法。這種技術的缺點是成本高昂、程序緩慢、必須操作於真空內、還有，電子束在固體內很快就會散開，很難維持聚焦。最後這缺點限制住解析度不能小於10奈米。因此，電子束平版印刷術主要是用來製造少數量特別的積體電路[81]。

電子束照射技術使用電子束來照射物質。爲了要改變物質的物理性質或滅除醫療物品和食品所含有的微生物，可以考慮使用電子束照射技術[82]。做為放射線療法的一種，直線型加速器製備的電子束可以用來照射淺表性腫瘤。由於在被吸收之前，電子束只會穿透有限的深度（能量為5–20 MeV的電子束通常可以穿透5公分的生物體），電子束療法可以用來醫療像基底細胞癌一類的皮膚病。電子束療法也可以輔助治療已被X-射線照射過的區域[83]。

粒子加速器使用電場來增加電子或正子的能量，使這些粒子擁有高能量。當這些粒子通過磁場時，它們會放射同步輻射。由於輻射的強度與自旋有關，因而造成了電子束的偏振。這過程稱為索克洛夫-特諾夫效應。很多實驗都需要使用偏振的電子束為粒子源。同步輻射也可以用來降低電子束溫度，減少粒子的動量偏差。一當粒子達到要求的能量，使電子束和正子束發生互相碰撞與湮滅，這會引起能量的發射。偵測這些能量的分佈，仔細研究分析實驗數據，物理學家可以了解電子與正子碰撞與湮滅的物理行為[84]。

成像

低能電子繞射技術(LEED)照射準直電子束於晶體物質，然後根據觀測到的繞射圖案，來推斷物質結構。這技術所使用的電子能量通常在20–200 eV之間[85]。反射高能電子繞射(RHEED)技術以低角度照射準直電子束於晶體物質，然後蒐集反射圖案的數據，從而推斷晶體表面的資料。這技術所使用的電子的能量在8–20 keV之間，入射角度為1–4°[86]。

電子顯微鏡將聚焦的電子束入射於樣本。由於電子束與樣本的交互作用，電子的性質，像移動方向、相對相位和能量，都會有所改變。細心地分析這些實驗蒐集到的數據，即可得到解析度為原子尺寸的影像[87]。使用藍色光，普通的光學顯微鏡的解析度，因受到繞射限制，只能達到200奈米；相互比較，電子顯微鏡的解析度，則是受到電子的德布羅意波長限制，對於能量為100 keV的電子，解析度大約為0.0037奈米[88]。像差修正穿透式電子顯微鏡能夠將解析度降到低於0.05奈米，能夠清楚地觀測到個別原子[89]。這能力使得電子顯微鏡成為，在實驗室裏，高解析度成像不可缺少的儀器。但是，電子顯微鏡的價錢昂貴，保養不易。在操作電子顯微鏡時，樣品環境需要維持真空，科學家無法觀測活生物[90]。

電子顯微鏡主要分為兩種類式：穿透式和掃描式。穿透式電子顯微鏡的操作原理類似高架式投影機，將電子束對準於樣品切片發射，穿透過的電子再用透鏡投影於底片或電荷耦合元件。掃描電子顯微鏡用聚焦的電子束掃瞄過樣品，就好像在顯示機內的光柵掃瞄。這兩種電子顯微鏡的放大率可從100倍到1,000,000倍，甚至更高。應用量子穿隧效應，掃描隧道顯微鏡將電子從尖銳的金屬針尖穿隧至樣品表面。為了要維持穩定的電流，針尖會隨著樣品表面的高低而移動，這樣，即可得到解析度為原子尺寸的樣本表面影像[91]

自由電子雷射

自由電子雷射將相對論性電子束通過一對波盪器。每一個波盪器是由一排交替方向的磁場的磁偶極矩組成。由於這些磁場的作用，電子會發射同步輻射；而這輻射會同調地與電子交互作用。當頻率匹配共振頻率時，會引起輻射場的強烈放大。自由電子雷射能夠發射同調的高輻射率的電磁輻射，而且頻域相當寬廣，從微波到軟X-射線。不久的將來，這儀器可以應用於製造業、通訊業和各種醫療用途，像軟組織手術[92]。

其它

陰極射線管的核心概念為，勞侖茲力定律的應用於電子束。陰極射線管廣泛的使用於實驗式儀器顯示器，電腦顯示器和電視。在光電倍增管內，每一個擊中光陰極的光子會因為光電效應引起一堆電子被發射出來，造成可偵測的電流脈波[93]。曾經在電子科技研發扮演重要的角色，真空管藉著電子的流動來操縱電子信號；但是，這元件現在已被電晶體一類的固態電子元件取代了。


參閱

基本粒子 - 輕子 編輯
粒子: 電子 | μ子 | τ子 | 微中子: | 電子微中子 | μ微中子 | τ微中子
反粒子 : 正子 | 反μ子 |反τ子 | 反微中子: | 反電子微中子 | 反μ微中子 | 反τ微中子
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量子電動力學
電子 • 正子 • 光子 • 自能量 • 真空偏振 • 頂點函數 • Gupta-Bleuler形式 • ξ 規範 • 沃德-高橋恆等式 • 康普頓散射 • 巴巴散射 • 穆勒散射 • 反常磁矩 • 軔致輻射 • 正子電子偶
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所有粒子
基本粒子
夸克：u  · u  · d  · d  · c  · c  · s  · s  · t  · t  · b  · b
輕子：e-  · e+  · μ-  · μ+  · τ-  ·τ+  · νe  · ve  · νμ  · vμ  · ντ  · vτ
複合粒子
重子/核子/超子：p  · p  · n  · n  · Δ  · Λ  · Σ  · Ξ  · Ω  · 介子/夸克偶素：π  · K  · ρ  · D  · J/ψ  · Υ
其它
原子核  · 原子  · 奇異原子：電子偶素  · 渺子偶素  · 介子原子  · 超子原子  · 反氫  · 介子核  · 超核  · 重味超核  · 分子
假想的基本粒子
軸微子  · 膠微子  · 光微子  · 重力微子  · W微子  · Z微子  · 希格斯微子  · 中性微子  · 超費米子：超輕子  · 超夸克
其它
假想的複合粒子
奇異強子
奇異重子：五夸克態  · 雙重子態  · 奇異介子：膠球  · 混雜態  · 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

註釋

  1. ^ 電子的帶電量是負基本電荷；質子的帶電量是正基本電荷。
  2. ^ 自旋的角動量S\,\!是從自旋量子數s=1/2\,\!計算而得：
    S = \sqrt{s(s + 1)} \hbar =\frac{\sqrt{3}}{2} \hbar \,\! 。
  3. ^ 從靜電學理論，一個半徑為r\,\!，電荷量為e\,\!的圓球的勢能E_{\mathrm p}\,\!為
    E_{\mathrm p} =\frac{1}{2}\int_{\mathcal{S}} \sigma V da= \frac{e^2}{8\pi \epsilon_0 r}\,\! ；
    其中，\mathcal{S}\,\!是圓球表面，\sigma=\frac{e}{4\pi r^2}\,\!是面電荷密度，V=\frac{e}{4\pi \epsilon_0 r}\,\!是電勢，da\,\!是微小面元素，\epsilon_0\,\!是真空電容率。
    靜止質量為m_0\,\!的電子的靜止能量E_0\,\!是
    E_0= m_0 c^2,\,\!；
    其中，c\,\!是光速。
    設定這兩個公式等值，則可得到經典電子半徑r\,\!。
  4. ^ 根據海森堡不確定原理和質能方程式：
    \Delta t\le \hbar/\Delta E=\hbar/m_e c^2\approx 1.3 \times 10^{ - 21}\ [\text{sec}]\,\! ；
    其中， m_e\,\! 是電子的質量。
  5. ^ 波長的差值 \Delta \lambda\,\! ，相依於反衝的角度 \theta\,\! 。其關係為：
    \Delta \lambda = \frac{h}{m_ec} (1 - \cos \theta)\,\! 。
  6. ^ 計算電子的速度，答案為：
    v = c\sqrt{1\ - \gamma^{-2}}\approx c\left(1 - 0.5 \gamma^{-2}\right)= 0.999\,999\,999\,95\,c\,\! 。

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