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電子

電子

電子是最早發現的基本粒子。帶負電電量為1.602176634×10-19庫侖,是電量的最小單元。質量為9.10956×10-31kg。 常用符號e表示。1897年由英國物理學約瑟夫•約翰•湯姆生在研究陰極射線時發現。一切原子都由一個帶正電原子核和圍繞它運動的若干電子組成。電荷的定向運動形成電流,如金屬導線中的電流。利用電場磁場,能按照需要控制電子的運動(在固體真空中),從而製造出各種電子儀器和元件,如各種電子管、電子顯微鏡等。電子的波動性於1927年由晶體衍射實驗得到證實。

基本信息

中文名 電子 質 量 9.10956×10-31kg千克
外文名 Electron、Electronic 發現者    發現者
表示符號 e 應用學科 化學、物理
所帶電荷 -1.602176634×10⁻¹⁹庫侖 本 質 屬於費米子

簡介

  電子(electron)是帶負電的亞原子粒子。它可以是自由的(不屬於任何原子),也可以被原子核束縛。原子中的電子在各種各樣的半徑和描述能量級別的球形殼裡存在。球形殼越大,包含在電子裡的能量越高。

在電導體中,電流由電子在原子間的獨立運動產生,並通常從電極的陰極陽極。在半導體材料中,電流也是由運動的電子產生的。但有時候,將電流想象成從原子到原子的缺電子運動更具有說明性。半導體裡的缺電子的原子被稱為空穴(hole)。通常,空穴從電極的正極"移動"到負極。 [1]

電子屬於亞原子粒子中的輕子類。輕子被認為是構成物質的基本粒子之一。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e=1.6×10-19C(庫侖),質量為9.11×10-31kg(0.51MeV/c2),能量為5.11×103eV,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,能量,自旋和等量的正電荷(正電子的電荷為+1,負電子的電荷為-1)。

物質的基本構成單位——原子是由電子、中子質子三者共同組成。中子不帶電,質子帶正電,原子對外不顯電性。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的1840倍。

當電子脫離原子核束縛在其它原子中自由移動時,其產生的淨流動現象稱為電流。各種原子束縛電子能力不一樣,於是就由於失去電子而變成正離子,得到電子而變成負離子

靜電是指當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的情況。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應用方法,其中例子有激光打印機。

研究歷史

電子是在1897年由劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫•約翰•湯姆森在研究陰極射線時發現的。約瑟夫•約翰•湯姆森提出了葡萄乾模型(棗糕模型)。

1897年,英國劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫•約翰•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,他觀察出負極射線的偏轉,並計算出負級射線粒子(電子)的質量-電荷比例,因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。湯姆遜採用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遜發現了。[2] 電子並非基本粒子,100多年前,當美國物理學家Robert Millikan首次通過實驗測出電子所帶的電荷為1.602×10-19C後,這一電荷值便被廣泛看作為電荷基本單元。然而如果按照經典理論,將電子看作「整體」或者「基本」粒子,將使我們對電子在某些物理情境下的行為感到極端困惑,比如當電子被置入強磁場後出現的非整量子霍爾效應

英國劍橋大學研究人員和伯明翰大學的同行合作完成了一項研究。公報稱,電子通常被認為不可分。劍橋大學研究人員將極細的「量子金屬絲」置於一塊金屬平板上方,控制其間距離為約30個原子寬度,並將它們置於近乎絕對零度的超低溫環境下,然後改變外加磁場,發現金屬板上的電子在通過量子隧穿效應跳躍到金屬絲上時分裂成了自旋子和穴子。

為了解決這一難題,1980年,美國物理學家Robert Laughlin提出一個新的理論解決這一迷團,該理論同時也十分簡潔地詮釋了電子之間複雜的相互作用。然而接受這一理論確是要讓物理學界付出「代價」的:由該理論衍生出的奇異推論展示,電流實際上是由1/3電子電荷組成的。

但1981年有物理學家提出,在某些特殊條件下電子可分裂為帶磁的自旋子和帶電的空穴子。2018年11月16日,國際計量大會通過決議,1安培被定義為「1s內通過(1.602176634)⁻¹×10^18個電子電荷所對應的電流」。

性質特徵

電子塊頭小重量輕(比μ介子還輕205倍),被歸在亞原子粒子中的輕子類。輕子是物質被劃分的作為基本粒子的一類。電子帶有二分之一自旋,滿足費米子的條件(按照費米-狄拉克統計)。電子所帶電荷約為-1.6×10-19庫侖質量為9.10956×10-31kg(0.51MeV/c2)。通常被表示為e⁻。與電子電性相反的粒子被稱為正電子,它帶有與電子相同的質量,自旋和等量的正電荷。電子在原子內做繞核運動,能量越大距核運動的軌跡越遠,有電子運動的空間叫電子層,第一層最多可有2個電子。第二層最多可以有8個,第n層最多可容納2n2個電子,最外層最多容納8個電子。最後一層的電子數量決定物質的化學性質是否活潑,1、2、3電子為金屬元素,4、5、6、7為非金屬元素,8為稀有氣體元素。

物質的電子可以失去也可以得到,物質具有得電子的性質叫做氧化性,該物質為氧化劑;物質具有失電子的性質叫做還原性,該物質為還原劑。物質氧化性或還原性的強弱由得失電子難易決定,與得失電子多少無關。

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(英語:enamel paint)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。在許多物理現象里,像電傳導、磁性或熱傳導,電子都扮演了要重要的角色。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。

電荷的最終攜帶者是組成原子的微小電子。在運動的原子中,每個繞原子核運動的電子都帶有一個單位的負電荷,而原子核裡面的質子帶有一個單位的正電荷。正常情況下,在物質中電子和質子的數目是相等的,它們攜帶的電荷相平衡,物質呈中性。物質在經過摩擦後,要麼會失去電子,留下更多的正電荷(質子比電子多)。要麼增加電子,獲得更多的負電荷(電子比質子多)。這個過程稱為摩擦生電。

排布規律

當原子處在基態時,原子核外電子的排布遵循三個原則:[3]

(1)泡利不相容原理

(2)能量最低原理

(3)洪特規則

1、電子是在原子核外距核由近及遠、能量由低至高的不同電子層上分層排布。

2、每層最多容納的電子數為2n2個(n代表電子層數)。

3、最外層電子數不超過8個(第一層不超過2個),次外層不超過18個,倒數第三層不超過32個。

4、電子一般總是儘先排在能量最低的電子層里,即先排第一層,當第一層排滿後,再排第二層,第二層排滿後,再排第三層。[4]

原子理論

最早的原子模型是湯姆孫的梅子布丁模型。發表於1904年,湯姆遜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,著名的盧瑟福散射實驗徹底地推翻了這模型。

盧瑟福根據他的實驗結果,於1911年,設計出盧瑟福模型。在這模型里,原子的絕大部分質量都集中在小小的原子核中,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着原子核運轉。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着原子核的原子圖像來代表自己。

經典力學的框架之下,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•玻爾提出了玻爾模型。在這模型中,電子運動於原子核外某一特定的軌域。距離原子核越遠的軌域能量越高。電子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,從低能級軌域到高能級軌域則會吸收能量。藉著這些量子化軌域,玻爾正確地計算出氫原子光譜。但是,使用玻爾模型,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。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相互作用。他建議兩個原子之間一對共用的電子形成了共價鍵。於1923年,沃爾特•海特勒Walter Heitler和弗里茨•倫敦Fritz London應用量子力學的理論,完整地解釋清楚電子對產生和化學鍵形成的原因。於1919年,歐文•朗繆爾將路易士的立方原子模型cubical atom。加以發揮,建議所有電子都分布於一層層同心的(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,他能夠解釋周期表內每一個元素的周期性化學性質。

質量測量

電子的質量出現在亞原子領域的許多基本法則里,但是由於粒子的質量極小,直接測量非常困難。一個物理學家小組克服了這些挑戰,得出了迄今為止最精確的電子質量測量結果。

將一個電子束縛在中空的碳原子核中,並將該合成原子放入了名為彭寧離子阱的均勻電磁場中。在彭寧離子阱中,該原子開始出現穩定頻率的振盪。該研究小組利用微波射擊這個被捕獲的原子,導致電子自旋上下翻轉。通過將原子旋轉運動的頻率與自旋翻轉的微波的頻率進行對比,研究人員使用量子電動力學方程得到了電子的質量。[5]

正電子反電子

在眾多解釋宇宙早期演化的理論中,大爆炸理論是比較能夠被物理學界廣泛接受的科學理論。在大爆炸的最初幾秒鐘時間,溫度遠遠高過100億K。那時,光子的平均能量超過1.022MeV很多,有足夠的能量來創生電子和正電子對。

同時,反電子正電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,正電子和光子努力地維持着微妙的平衡。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-正電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電子對,大規模的電子-正電子創生事件不再發生。

可是,反電子和正電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(英語:leptogenesis(physics))中,創生的正電子多於反電子。否則,假若電子數量與正電子數量相等,就沒有電子了!大約每10億個電子中,會有一個正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,正電子存留的數目跟正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。

應用領域

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、激光和粒子加速器等等。在實驗室里,精密的尖端儀器,像四極離子阱(英語:quadrupole ion trap),可以長時間約束電子,以供觀察和測量。大型托卡馬克設施,像國際熱核聚變實驗反應堆,借着約束電子和離子等離子體,來實現受控核聚變。無線電望遠鏡可以用來探測外太空的電子等離子體。

在一次美國國家航空航天局的風洞試驗中,電子束射向航天飛機的迷你模型,模擬返回大氣層時,航天飛機四周的游離氣體。

天文觀測

遠距離地觀測電子的各種現象,主要是依靠探測電子的輻射能量。例如,在像恆星日冕一類的高能量環境裡,自由電子會形成一種藉著制動輻射來輻射能量的等離子。電子氣體的等離子振盪。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發射。天文學家可以使用無線電望遠鏡來探測這能量。

焊接應用

電子束科技,應用於焊接,稱為電子束焊接。這焊接技術能夠將高達107W•cm2能量密度的熱能,聚焦於直徑為0.3~1.3mm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。在核子工程和航天工程里,有些高價值焊接工件不能忍受任何缺陷。這時候,工程師時常會選擇使用電子束焊接來完成任務。

印刷電路

電子束平版印刷術是一種分辨率小於一毫米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。最後這缺點限制住分辨率不能小於10nm。因此,電子束平版印刷術主要是用來製備少數量特別的集成電路。

放射治療

技術使用電子束來照射物質。這樣,可以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。做為放射線療法的一種,直線型加速器。製備的電子束,被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5~20MeV的電子束通常可以穿透5cm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。

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,使電子束和正子束髮生互相碰撞與湮滅,這會引起高能量輻射發射。探測這些能量的分布,物理學家可以研究電子與正子碰撞與湮滅的物理行為。

成像技術

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

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描過樣品,就好像在顯示機內的光柵掃描。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。應用量子隧穿效應,掃描隧道顯微鏡將電子從尖銳的金屬針尖隧穿至樣品表面。為了要維持穩定的電流,針尖會隨着樣品表面的高低而移動,這樣即可得到分辨率為原子尺寸的樣本表面影像。

自由雷射

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相互作用。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。

參考來源

  1. electron:電子,techtarget信息化網,2009-05-25
  2. 電子,高中物理網,2001年
  3. 定義/電子層 編輯,互動百科網
  4. 原子核外電子的排布規律,豆丁網
  5. 電子,百度網,2019-04-08