電子（英文名：Electron）是一種帶負(fù)電荷的粒子，同時它和中子以及質(zhì)子也是構(gòu)成原子的三種基本亞原子粒子。電子是第一代輕子，輕子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子之一，以重力、電磁力和弱核力與其它粒子相互作用。電子帶有1/2自旋，是一種費米子，根據(jù)泡利不相容原理，任何兩個電子都不能處于同樣的量子態(tài)。電子的反粒子是正電子，其質(zhì)量、自旋、帶電量大小都與電子相同，但是電量正負(fù)性與電子相反。當(dāng)電子和正電子碰撞時，它們會被破壞并產(chǎn)生一對（或更多）伽馬射線光子。
電子是自然界中最輕的帶電粒子，其質(zhì)量大約是質(zhì)子的1/1836，與質(zhì)子或中子相比，電子被認(rèn)為是幾乎無質(zhì)量的，因此電子質(zhì)量不包括在計算原子的質(zhì)量數(shù)中。當(dāng)原子的電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)不等時，原子會帶電，稱此原子為離子。當(dāng)原子得到額外的電子時，它帶有負(fù)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于或少于原子核的電量，導(dǎo)致電量不平衡時，稱該物體帶靜電。電子與質(zhì)子之間的吸引力，使得電子被束縛于原子中，多個原子之間，會形成化學(xué)鍵交換或分享電子。在原子中，電子在殼層軌道中環(huán)繞原子核，每個殼層僅容納一定數(shù)量的電子，電子在原子核周圍的軌道和殼層中的排列稱為原子的電子構(gòu)型。這種電子構(gòu)型不僅決定了原子的大小，還決定其化學(xué)活性。例如，元素周期表中相似元素組中的元素分類是基于其電子結(jié)構(gòu)的相似性。
1838年，英國自然哲學(xué)家理查德·拉明（Richard Laming）首次假設(shè)了不可分割的電荷量的概念來解釋原子的化學(xué)性質(zhì)。愛爾蘭物理學(xué)家喬治·約翰斯通·斯托尼（George Johnstone Stoney）隨后引入了電子一詞作為電的基本單位；1897年，約瑟夫·約翰·湯姆森（J.J. Thomson）發(fā)現(xiàn)了陰極射線會被偏轉(zhuǎn)，而根據(jù)磁性以及偏轉(zhuǎn)方向，并將其確定為負(fù)電荷粒子。
電子在許多物理現(xiàn)象中起著至關(guān)重要的作用，例如電、磁、化學(xué)和導(dǎo)熱系數(shù)，以及引力、電磁和弱相互作用等。由于電子帶有電荷，它的周圍會產(chǎn)生電場，根據(jù)洛倫茲力定律，電磁場也會影響電子的運動。電子在加速時會以光子的形式輻射或吸收能量。實驗室儀器能夠利用電磁場捕獲單個電子和電子等離子體。電子涉及許多應(yīng)用領(lǐng)域，如電子束、成像、自由電子激光及其他應(yīng)用等。
詞源
電子Electron源自拉丁語琥珀ēlectrum（也是同名合金的詞根），它來自希臘語中的琥珀（古希臘語：?λεκτρον）。
1600年，英國科學(xué)家威廉·吉爾伯特（William Gilbert）在他的論文《磁鐵》（De Magnete）中創(chuàng)造了新拉丁語術(shù)語electrica，指的是那些具有與琥珀相似的性質(zhì)，在摩擦后會吸引小物體的物質(zhì)。1640年代，由醫(yī)生托馬斯·布朗（Dr Thomas Browne）首次在英語中使用Electron。
研究簡史
很早以前，古希臘人就已經(jīng)知道，琥珀（古希臘語：?λεκτρον）擁有一種奇特的性質(zhì)：被摩擦之后的琥珀可以吸引輕小物體。2500年前，古希臘哲學(xué)家泰勒斯曾見證到琥珀的這種奇特的性質(zhì)。
正負(fù)電的假想與發(fā)現(xiàn)
十八世紀(jì)，查爾斯·篤費（Charles Du Fay）發(fā)現(xiàn)，假若被絲綢摩擦后的玻璃對于帶電的金箔呈現(xiàn)出排斥的現(xiàn)象，則被羊毛摩擦后的琥珀會對這帶電的金箔呈現(xiàn)出吸引的現(xiàn)象。他從這結(jié)果與很多其它類似結(jié)果推斷，大自然有兩種不同的“電”，他稱由絲綢摩擦玻璃生成的電為玻璃電，由羊毛摩擦琥珀生成的電為沒藥樹電。
1747年，美國學(xué)者（Benjamin Franklin）做電實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦玻璃時，作為被摩擦者的玻璃會獲得一些電，而摩擦者則會失去一些電，在摩擦的過程中，并不會生成任何電，只會從摩擦者轉(zhuǎn)移一些電到玻璃，整個孤立系統(tǒng)的總電量不會改變。為了解釋類似這般的電現(xiàn)象，他想出一種單流體理論，其表明，電現(xiàn)象是源自于一種既看不見又無重量的流體所產(chǎn)生的作用，這種電流體彌漫于物體里，本杰明·富蘭克林認(rèn)為，電流體是由極奇奧妙的粒子所組成，這些粒子彼此之間相互排斥，但會被其它物質(zhì)強(qiáng)烈吸引，因此，物質(zhì)能像海綿一般地吸引與儲存電流體。同時期，英國學(xué)者（William Watson）也獨立給出類似的單流體理論。
1808年，英國人（Dalton）提出了近代意義上的“原子論”，即化學(xué)中各元素的最小單位，如氫原子、氧原子、碳等。他以為，這就是組成物質(zhì)的最小粒子了。
1815年，威廉-普魯特（William Prout）提出了元素的原子量是氫原子量的整數(shù)倍（普勞特假說）的觀點。
1871年，德國物理學(xué)者（Wilhelm Weber）建議，原子是由一個帶正電的亞原子粒子與一個帶負(fù)電的核心物質(zhì)所組成．質(zhì)量非常微小的亞原子粒子環(huán)繞著質(zhì)量非常大的核心物質(zhì)不停地轉(zhuǎn)動，兩個物體的帶電量相同。
1881年，德國物理學(xué)者（Hermann von Helmholtz）強(qiáng)調(diào)，從邁克爾·法拉第電解定律的結(jié)果可以總結(jié)，不論是正電或是負(fù)電，它們的電量都可被分割至基本電量，其物理行為如同帶電基礎(chǔ)粒子一般。
1891年，愛爾蘭物理學(xué)者喬治·斯桐尼（George Stoney）提議，將這基本電量命名為“electron ”（電子）。
發(fā)現(xiàn)陰極射線
1895年11月8日，（Wilhelm Conrad R?ntgen）發(fā)現(xiàn)一種新的未知射線，并將其命名為X射線。
1897年，英國物理學(xué)家J.J.湯姆森（J.J. Thomson）在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了這個電子。他發(fā)現(xiàn)的電子，他最初稱之為微粒，在徹底改變原子結(jié)構(gòu)知識方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
19世紀(jì)末，隨著X射線、放射性、電子三大發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典物理在解釋黑體輻射、光電效應(yīng)和原子的穩(wěn)定性等現(xiàn)象時陷入了困境。
原子理論階段
1913年，在原有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起原子的量子理論。按照這個理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運動，在軌道上運動時候電子既不吸收能量，也不放出能量。原子具有確定的能量，它所處的這種狀態(tài)叫“定態(tài)”，而且原子只有從一個定態(tài)到另一個定態(tài)，才能吸收或輻射能量。這個理論雖然有成功介紹了解釋了氫光譜實驗，對于進(jìn)一步解釋實驗現(xiàn)象還有許多困難。
1913年，（Niels Bohr）假設(shè)電子處于量子化的能量狀態(tài)，其能量由電子軌道的自旋（角動量）決定，并且電子可以通過光子的發(fā)射或吸收在這些軌道之間移動。這些軌道解釋了氫原子的譜線。玻爾模型未能解釋光譜線的相對強(qiáng)度，也無法成功解釋更復(fù)雜原子的光譜。在原有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起原子的量子理論。按照這個理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運動，在軌道上運動時候電子既不吸收能量，也不放出能量。原子具有確定的能量，它所處的這種狀態(tài)叫“定態(tài)”，而且原子只有從一個定態(tài)到另一個定態(tài)，才能吸收或輻射能量。這個理論雖然有成功介紹了解釋了氫光譜實驗，對于進(jìn)一步解釋實驗現(xiàn)象還有許多困難。
1914年，Bohr（）提出了氫原子是由一個電子環(huán)繞一個質(zhì)子的模型，就好像繞運動，擁有一個軌道一樣，電子因相反電荷作用而被束縛在了一個軌道上。利用早期的量子理論，的模型可以解釋氫原子光譜，且實驗與理論符合很好。
1916年，愛因斯研究了自發(fā)輻射，解決這個問題需要發(fā)展電磁場（即光）的相對論量子理論。引發(fā)提出量子場論的問題是電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時原子怎樣輻射光。量子力學(xué)是解釋物質(zhì)的理論，而量子場論是研究場的理論，不僅是電磁場，還有后來發(fā)現(xiàn)的其他場。
同年，吉爾伯特·劉易斯（Gilbert Lewis）提出，兩個原子之間的“共價鍵”由一對共享電子維持。
1919年，（Irving Langmuir）改進(jìn)了劉易斯的靜態(tài)模型，并提出所有電子都分布在連續(xù)的“同心（近）球殼中，所有殼層的厚度都相等”。殼層被分成許多含有一對電子的細(xì)胞。該模型能夠定性地解釋元素周期表中所有元素的性質(zhì)。
量子力學(xué)
1923年，法國物理學(xué)家受光子波粒二象性的啟發(fā)，認(rèn)為以前對光的認(rèn)識側(cè)重于光的波性，忽略了粒子性；而對像電子這樣的微觀實體則過分強(qiáng)調(diào)實體的粒子性，卻忽略了其可能具有的波動性。為此，德布羅意提出微觀的實體粒子也具有波粒二象性的假說，他認(rèn)為，正如光具有波粒二象性一樣，實體的微粒（如電子、原子等）也具有這種性質(zhì)，即既具有粒子性也具有波動性，這一假設(shè)不久為戴維孫和的實驗所證實。
同年，物理學(xué)家康普頓（A.H.Compton）研究了X射線經(jīng)質(zhì)散射的實驗。實驗發(fā)現(xiàn)，在散射的X射線中，除了有與原射線相同波長的成分外，還有波長較長的成分。
1925年，德國物理學(xué)家發(fā)表論文《關(guān)于運動學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子論的重新解釋》，海森堡對的原子結(jié)構(gòu)和光譜理論作了深入透徹的研究；另一方面，海森堡通過的早期工作，間接受到思想的影響，他提出的矩陣方法完全拋棄了玻爾理論中的電子軌道、運行周期這種古典的但卻是不可觀測的概念，代之以可觀察量如輻射頻率和強(qiáng)度。
從1925年到1928年間，其他物理學(xué)家各自提出了關(guān)于電子等微觀粒子的其他理論，進(jìn)一步擴(kuò)充了量子力學(xué)的理論發(fā)展。例如，提出了不相容原理，為化學(xué)元素周期表奠定了理論基礎(chǔ)；（Paul Dirac）提出了相對論性的轉(zhuǎn)動方程來描述電子，解釋了電子的自旋并且預(yù)測了反物質(zhì)，此外還提出了電磁場的量子描述，建立了量子場論的基礎(chǔ)；提出互補(bǔ)原理，試圖解釋量子理論中一些明顯的矛盾，尤其是波粒二象性。以上近代物理學(xué)家、、、狄拉克建立起描述微觀粒子運動的量子理論，量子理論和相對論一起，是20世紀(jì)初的重大理論成果，也是是近代物理學(xué)的理論基石。
1947年，威利斯·蘭姆（Willis Lamb）與研究生羅伯特-雷特福德（Robert Retherford）合作，發(fā)現(xiàn)氫原子的某些量子態(tài)本應(yīng)具有相同的能量，但卻發(fā)生了相互偏移；這種差異后來被稱為蘭姆偏移。
同一時期，波利卡普·庫施（Polykarp Kusch）與亨利·福立（Henry M. Foley）合作，發(fā)現(xiàn)電子的磁矩比狄拉克理論預(yù)測的略大。這種微小的差異后來被稱為電子的反常磁偶極矩。這一差異后來由朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）、施溫格（Julian Schwinger）和理查德·費曼（Richard Feynman）在20世紀(jì)40年代末提出的量子電動力學(xué)理論解釋。
粒子加速器相關(guān)
隨著二十世紀(jì)上半葉粒子加速器的發(fā)展，物理學(xué)家開始更深入地研究亞原子粒子的性質(zhì)。1961年，物理學(xué)家羅伯特·霍夫斯塔特?(Robert Hofstadter)，因通過電子彈性散射實驗對核子的大小及結(jié)構(gòu)的測量被授予當(dāng)年的。
1967年，斯坦福直線加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）。在早期的實驗中，研究人員用電子轟擊質(zhì)子，然后觀察到它們像臺球一樣跳彈開來。而當(dāng)SLAC提高能量，更猛烈地發(fā)射電子，研究人員發(fā)現(xiàn)它們的反彈方式不同。電子撞擊質(zhì)子的強(qiáng)度足以打碎后者——這個過程稱為深度非彈性散射（Deep Inelastic Scattering，DIS）——并從質(zhì)子的類點碎片，即夸克反彈回來，這是夸克存在的第一個證據(jù)。
第一臺高能粒子對撞機(jī)ADONE的束流能量為1.5 GeV，這臺設(shè)備將電子和正電子向相反的方向加速，與電子撞擊靜態(tài)目標(biāo)相比，其碰撞能量實際上增加了一倍。歐洲核子研究中心（CERN）的大型電子-正電子對撞機(jī)（LEP）從1989年運行到2000年，為粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型提供了重要的測量數(shù)據(jù)。
1992年，在德國漢堡運行的強(qiáng)子—電子環(huán)形加速器（Hadron-Electron Ring Accelerator，HERA）用電子轟擊質(zhì)子的強(qiáng)度大約是SLAC的千倍。在HERA實驗中，物理學(xué)家可以選擇從極低動量夸克反彈的電子，甚至是僅攜帶質(zhì)子總動量0.005%的電子。而他們確實發(fā)現(xiàn)了極低動量電子：HERA的電子從低動量夸克及其反物質(zhì)對應(yīng)——反夸克的漩渦中反彈回來。
性質(zhì)
電子的基本屬性
電子的質(zhì)量大約為9.109 × 10?31kg，質(zhì)子質(zhì)量大約為電子質(zhì)量的1836倍。電子所帶有的電量是基本電荷的電量為-1.602 × 10?19庫侖。電子的自旋量子數(shù)為 1/2。電子的內(nèi)在磁矩大約為?1.001159μB。經(jīng)典電子半徑是2.82 × 10?15m。蘭姆位移研究揭露，電子的電荷是大致分布于半徑為電子電子康普頓半徑的圓球形區(qū)域，電子康普頓半徑的數(shù)值為3.86 × 10?13m。
除去電子的位置（或動量）和自旋3-分量。對于其他已知的基本粒子一一光子、夸克等也是如此。和 的粒子分別稱為玻色子和費米子。同時，狹義相對論中最重要的推論之一就是所有自旋為奇整數(shù)一半的粒子是費米子，所有自旋為整數(shù)的粒子是玻色子。所以，具有自旋 1/2 的電子和夸克是費米子。
電導(dǎo)率
電導(dǎo)率是表示物質(zhì)傳輸電流的強(qiáng)弱能力的一種測量值。當(dāng)施加電壓于導(dǎo)體的兩端時，電子會從低電勢處朝著高電勢處移動，因而產(chǎn)生電流。依照慣例，對于導(dǎo)體，電流的方向與電子移動的方向恰巧相反。銅和金都是優(yōu)良導(dǎo)體；而玻璃和橡膠則都是不良導(dǎo)體。德魯?shù)履Ｐ涂梢猿晒Φ赝茖?dǎo)出歐姆定律、電傳導(dǎo)與熱傳導(dǎo)彼此之間的關(guān)系，但按照這模型，熱傳導(dǎo)與電子熱容量有關(guān)，而實驗中并沒有觀測到這種關(guān)系。這主要是因為經(jīng)典詹姆斯·麥克斯韋路德維希·玻爾茲曼分布無法描述電子的概率分布。
超導(dǎo)現(xiàn)象指的是，在低溫狀況下，物質(zhì)失去電阻的現(xiàn)象。1950年，赫伯特·弗勒利希（Heike Kamerlingh Onnes）建議，超導(dǎo)機(jī)制涉及到電子與物體晶格震動的耦合。約翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·庫珀（Leon Neil Cooper）與施里弗（John Robert Schrieffer）合作創(chuàng)建了BCS理論，其能夠完全解釋常規(guī)超導(dǎo)現(xiàn)象。BCS理論表明，電子與晶格之間的相互作用導(dǎo)致形成稱為庫珀對的成對的電子，庫珀對能夠絲毫沒有阻礙地移動于物體內(nèi)部。物體可以被視為正離子的晶格沉浸在電子云里，當(dāng)電子通過晶格時，負(fù)電子會吸引正離子，使得正離子微小地移動，這動作促成一個正價區(qū)域，其會吸引另外一個電子，形成了庫珀對。由于庫珀對的結(jié)合能很弱，庫珀對很容易被熱能拆散，因此超導(dǎo)現(xiàn)象通常只會出現(xiàn)在極端的低溫環(huán)境中。
電子的其他性質(zhì)
量子特性
在現(xiàn)代物理學(xué)中，一個如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子，諸如原子、分子、電子、光子等微粒都可以被稱為“量子”，整個世界就是由大量的量子組成的。
在量子電動力學(xué)中，帶電荷的電子與一個光子相互作用，前者能夠傳遞能量給后者，卻不能傳遞電荷給后者。關(guān)于貝塔衰變的類似的量子場論幾乎是對后面這種情況可能的最簡單的概括：同樣允許電荷的傳遞。這產(chǎn)生出來的理論就叫作量子味（QFD）。量子味動力學(xué)主要研究的對象則為中微子，而中微子是由電子吸收一個帶電的光子——W玻色子（W+）轉(zhuǎn)變而來。在量子味動力學(xué)當(dāng)中，貝塔放射性出現(xiàn)于這種情況，當(dāng)一個中子通過釋放出一個W-轉(zhuǎn)化為一個質(zhì)子，而W-又轉(zhuǎn)化到一個電子和一個中微子之中這種按照能量和質(zhì)量的等式（表達(dá)為著名的等式E=mc2）實現(xiàn)的能量的轉(zhuǎn)化，是量子場論的一個關(guān)鍵特征。
虛粒子
物理學(xué)者認(rèn)為，空間會繼續(xù)不停地生成一對一對的虛粒子，例如，正負(fù)電子虛對，而在生存短暫的一段時間后，這些成對的虛粒子會相互。在這過程里，假若要偵測生成的虛粒子，生成虛粒子所需要的能量漲落，虛粒子能夠被偵測所需要的存在時間，必須滿足不確定原理所設(shè)定的偵測底限：；其中，h是約化普朗克常數(shù)。實際而言，生成這些虛粒子所需要的能量，可以從真空暫時借用一段時間，只要它們的乘積小于約化普朗克常數(shù)就行。這種現(xiàn)象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(jù)推導(dǎo)，對于虛電子，最多是1.3 × 10?21秒。
原子與分子
原子是由原子核與電子組成，由于庫侖力的作用，原子內(nèi)部的電子被原子核吸引與束縛。假若，束縛電子的數(shù)目不等于原子核的質(zhì)子數(shù)目，則稱此原子為離子。在原子內(nèi)部，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量子數(shù)，像主量子數(shù)、角量子數(shù)和。原子軌域的主量子數(shù)設(shè)定能級，角量子數(shù)給出軌角，而磁量子數(shù)則是軌角動量對于某特定軸的量子化投影。根據(jù)，每一個原子軌域只能容納兩個電子，而這兩個電子的為反對稱，一個自旋向上，另一個自旋向下。
處于一個原子軌域的電子，經(jīng)過發(fā)射或吸收光子的過程，可以躍遷至另外一個原子軌域。發(fā)射或吸收的光子的所涉及的能量必須等于軌域能級的差值。如果束縛電子獲得的能量大于其束縛能的能量，則束縛電子可以逃離原子，成為自由電子。例如，在光電效應(yīng)里，一個能量大于原子的入射光子，被電子吸收，使得電子有足夠的能量逃離原子。幾種常見的為、共價鍵和金屬鍵。在里，陽離子和陰離子會通過靜電作用形成離子鍵。在里，原子與原子之間通過共用電子形成共價鍵。在金屬里，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。
相互作用
電子是帶負(fù)電粒子，其所產(chǎn)生的電場，會吸引像質(zhì)子一類的帶正電粒子，也會排斥像電子一類的帶負(fù)電粒子，這些現(xiàn)象所涉及的作用力遵守。大量電子在空間中的移動會形成電流，安培定律描述電流與磁場彼此之間的關(guān)系。法拉第感應(yīng)定律描述時變磁場怎樣感應(yīng)出電場。是發(fā)電機(jī)的運作原理。
康普頓效應(yīng)是繼光電效應(yīng)之后又一光子與電子相互作用的實驗實例，是指在散射的X射線中，除了有與原射線相同波長的成分外，還有波長較長的成分，這種有波長改變的散射，因此也稱為康普頓散射。由實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，散射線中除有原波長的射線外，還出現(xiàn)了波長增大了的射線>。按照經(jīng)典電磁理論，作為電磁波的X射線照射到散射物質(zhì)上時，將引起物質(zhì)內(nèi)部的帶電粒子受迫振動，帶電粒子的受迫振動頻率等于入射光頻率，振動的帶電粒子將向四周輻射與振動頻率相同的電磁波，因此散射光的頻率應(yīng)等于入射光的頻率，不可能觀察到與入射光頻率不同的散射光波。光子理論認(rèn)為，頻率為（波長為）的X射線可看成由一些能量為的光子組成，當(dāng)X的光子與自由電子或束繼較弱的外層電子發(fā)生碰撞時，光子將一部分能量傳遞給電子，所以碰撞后散射光子的能量較入射光子能量小，因而散射光的頻率較入射光子能量小，因而散射光的頻率要小，即散射光的波長較入射光波長增大，這就定性解釋了散射光中出現(xiàn)波長增大了的射線的原因。
當(dāng)電子與正電子相互碰撞時，它們會互相對方，同時生成兩個以上，偶數(shù)的伽馬光子，以180°相對角度發(fā)射出去。假若，可以忽略電子和正電子的動量，則這碰撞可能會先形成電子偶素原子，然后再湮滅成為兩個0.511 MeVγ射線光子。反過來看，高能量光子可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電子和一個正電子，這程序稱為成對產(chǎn)生。但是，由于違背了動量守恒定律，單獨光子不可能會發(fā)生成對產(chǎn)生。只有在像原子核等等的帶電粒子附近，由于庫侖作用，能量大于1.022 MeV的光子才有可能發(fā)生成對產(chǎn)生。
在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，光子、W玻色子、Z玻色子和膠子等四種為1的規(guī)范玻色子是傳遞相互作用的。弱相互作用有兩種，載荷流相互作用（charged-current interaction）與中性流相互作用。載荷流相互作用的媒介是帶電性的W玻色子。通過發(fā)射W?玻色子或吸收W+玻色子，電子可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娭形⒆樱荒娣催^來，通過發(fā)射W+玻色子或吸收W-玻色子，電中微子也可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮印?/p>
相對論性電子的性質(zhì)
電子的動能，其中洛倫茲因子以方程定義為，電子的靜質(zhì)量，c為光速。根據(jù)阿爾伯特·愛因斯坦的狹義相對論，相對于觀測者的參考系，電子的移動速度越快，電子的相對論性質(zhì)量（總能量）也越大，因而使得電子繼續(xù)加速所需要的能量越來越大，在接近光速時，趨向于無窮大。因此電子的移動速度可以接近光波在真空的傳播速度，但絕不會達(dá)到光速。
粒子分類
根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，電子是，凡是為半奇數(shù)的基本粒子都是費米子，電子是費米子，因為電子的自旋是 1/2，費米子又分為輕子與重子兩種，它們的主要不同之處是輕子不涉及，因此，電子是輕子。在所有帶電的輕子中，電子的質(zhì)量最小，屬于第一代基本粒子。μ子和τ子分別為第二代和第三代的帶電輕子。它們的帶電量、自旋和所涉及到的都與電子相同。
電子的觀測
間接觀測
輻射能量觀測
靠著偵測電子的輻射能量，天文學(xué)家可以遠(yuǎn)距離地觀測到電子的各種現(xiàn)象。例如，在像一類的高能量環(huán)境里，自由電子會形成一種借著制動輻射來輻射能量的等離子體。電子氣體的等離子體振蕩是一種波動，是由電子密度的快速震蕩所產(chǎn)生的波動。這種波動會造成能量的發(fā)射，天文學(xué)家可以使用無線電望遠(yuǎn)鏡來偵測這能量。
潘寧離子阱
潘寧離子阱是囚禁、冷卻帶電粒子，進(jìn)而開展精密物理測量的理想實驗裝置。歷史上，基于潘寧阱的實驗研究兩次獲得（1989，2012），也證明了潘寧阱在單粒子調(diào)控與精密測量領(lǐng)域的重要地位。基于潘寧阱實驗設(shè)備發(fā)展的包括電子、質(zhì)子、中子以及其他原子的質(zhì)量測量，電子與核子的自旋磁矩測量以及高電荷態(tài)離子的能級結(jié)構(gòu)測量，進(jìn)而測定基本物理參數(shù)（如精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)）、檢驗物理定律（如相對論、QED理論等）。
直接觀測
光電效應(yīng)是指足夠高的高頻光照射在金屬表面上使表面發(fā)射電子的現(xiàn)象。某一頻率為的光線通過真空室壁上的窗口入射金屬陰極C從陰極擊出的電子一光電子經(jīng)陰極與陽極A之間的電場加速并為A收集成為光電流。實驗表明光電子流與入射光強(qiáng)成正比；如改變?nèi)肷涔獾念l率，則當(dāng)光頻率小于某一數(shù)值（稱為截止頻率或紅限）時，便無光電子產(chǎn)生；如改變加速電壓的極性，即施加反向電場，當(dāng)反向電壓的絕對值大于某一數(shù)值（稱為遏止電壓）時光電流才消失。與入射光強(qiáng)無關(guān)，而與入射光頻率，呈線性關(guān)系：，而且，光電子的發(fā)射瞬間發(fā)生，無論入射光強(qiáng)高低，甫一有光照，立刻便有光電子被擊出。
每個光量子的能量與輻射頻率的關(guān)系是（為普朗克常數(shù)），以此對光電效應(yīng)作出解釋，入射的光子被金屬中的電子吸收，電子獲得了大小為的能量，電子把一部分能量用于脫離金屬表面時所需要的逸出功，另一部分則成為逸出電子的初動能，并給出光電效應(yīng)方程了。
在固態(tài)物質(zhì)內(nèi)，電子的分布可以用角分辨光電子能譜學(xué)來顯像。應(yīng)用光電效應(yīng)理論，這科技照射高能量輻射于樣品，然后測量光電發(fā)射的電子動能分布和方向分布等等數(shù)據(jù)。仔細(xì)地分析這些數(shù)據(jù)，即可推論固態(tài)物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)。
相關(guān)原理
電子天文學(xué)理論
現(xiàn)代宇宙學(xué)理論認(rèn)為，我們所處的宇宙起源于大爆炸。在這一時期，宇宙中充斥著大量的電離輻射光子，普通物質(zhì)則處于等離子體狀態(tài)。隨著宇宙膨脹，物質(zhì)和輻射的溫度不斷降低。在宇宙年齡大約38萬年時，離子體中的氫原子核與自由電子復(fù)合(recombination)為中性氣體，而這也導(dǎo)致氣體變得透明，光子開始自由傳播，經(jīng)過不斷紅移最終成為今天我們觀測到的背景輻射(CMB)。同時，電子和正電子對也在大規(guī)模地相互湮滅對方，并且發(fā)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著微妙的平衡。但是，因為宇宙正在快速地膨脹中，溫度持續(xù)轉(zhuǎn)涼，在10秒鐘時候，溫度已降到30億K，低于電子-正電子生成過程的溫度底限100億K。因此，光子不再具有足夠的能量來生成電子和正電子對，大規(guī)模的電子與正電子生成事件不再發(fā)生，但電子和正電子相互湮滅對方，發(fā)射高能量光子。
由于某些尚未確定的因素，在輕子生成過程中，生成的電子多于正電子。不只這樣，由于一種稱為重子不對稱性的狀況，質(zhì)子的數(shù)目也多過反質(zhì)子，大約每1億個粒子對與光子中，就會有一個額外的質(zhì)子。最終電子存留的數(shù)目跟質(zhì)子多過反質(zhì)子的數(shù)目正好相等，宇宙凈電荷量為零，呈電中性。
如果溫度高于10億K，任何質(zhì)子和中子結(jié)合而形成的重氫，會立刻被高能量光子光解。在大爆炸后100秒鐘，溫度已經(jīng)低于10億K，質(zhì)子和中子結(jié)合而成的重氫，不再會被高能量光子光解，存留的質(zhì)子和中子開始反應(yīng)，形成各種氫的同位素和氦的同位素，和微量的鋰和鈹。在大約1000秒鐘時，溫度降到低于4億K。核子與核子之間，不再能靠著高速度隨機(jī)碰撞的機(jī)制，克服庫侖障壁，互相接近，產(chǎn)生核聚變。此時太初核合成階段結(jié)束。
在此后的一段時間，電子的能量仍舊太高，無法與原子核結(jié)合。在這時期之后，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(fù)合。在這相當(dāng)快的復(fù)合過程時期之后，大多數(shù)的原子都成為中性，光子不再會很容易地與物質(zhì)相互作用。光子也可以自由地移動于透明的宇宙。
在萬有引力作用下，暗物質(zhì)首先塌縮形成暗物質(zhì)暈。隨著越來越大的暗物質(zhì)暈形成，它們產(chǎn)生的引力開始能夠匯聚普通物質(zhì)組成的氣體，而這些氣體進(jìn)一步輻射冷卻后可以形成恒星。當(dāng)暗暈質(zhì)量增加到106—108太陽質(zhì)量時，依靠氫分子或氫原子的輻射冷卻，暈中開始形成第一代恒星。這些恒星發(fā)出的光可以電離周圍的氣體，在恒星內(nèi)部核反應(yīng)中形成的重元素也可能在第一代恒星演化末期的超新星爆發(fā)中被散入宇宙，從而促使新的恒星形成，直到最后整個宇宙被再電離。
原子結(jié)構(gòu)相關(guān)
任何由原子構(gòu)成的物質(zhì)的化學(xué)特性，均是由其原子和分子的電子結(jié)構(gòu)所決定的。通過解析，可以計算出該原子或分子的電子結(jié)構(gòu)，常采用一種原子軌道模型簡化計算。在模型中分子的電子的多粒子狀態(tài)通過將每個原子的電子單粒子狀態(tài)加到一起形成。盡管模型有許多近似，但其仍可近似地、準(zhǔn)確地描寫原子的能級。此外此模型還可給出電子排布以及軌道的圖像描述。通過原子軌道，可使用簡單的原則來區(qū)分電子排布。
電子的應(yīng)用
電子束
電子束焊接是應(yīng)用于焊接領(lǐng)域的電子束科技。這種焊接技術(shù)能夠?qū)⒏哌_(dá)107瓦特／厘米2能量密度的熱能，聚焦于直徑為0.3–1.3毫米的微小區(qū)域。使用這技術(shù)，技工可以焊接更深厚的物件。為了避免物質(zhì)被氧化的可能性，電子束焊接必須在真空內(nèi)進(jìn)行。不適合使用普通方法焊接的傳導(dǎo)性物質(zhì)，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接受任何瑕。這時候，工程師時常會選擇使用電子束焊接來達(dá)成任務(wù)。
成像
低能電子衍射技術(shù)（LEED）照射準(zhǔn)直電子束（collimated electron beam）于晶體物質(zhì)，然后根據(jù)觀測到的衍射圖樣，來推斷物質(zhì)結(jié)構(gòu)。這技術(shù)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(shù)以低角度照射準(zhǔn)直電子束于晶體物質(zhì)，然后搜集反射圖樣的數(shù)據(jù)，從而推斷晶體表面的資料。這技術(shù)所使用的電子的能量在8–20keV之間，入射角度為1–4度。電子顯微鏡將聚焦的電子束入射于樣本。由于電子束與樣本的相互作用，電子的性質(zhì)，像移動方向、相對相位和能量，都會有所改變。細(xì)心地分析這些實驗搜集到的數(shù)據(jù)，即可得到分辨率為原子尺寸的影像。
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(jī)，將電子束對準(zhǔn)于樣品切片發(fā)射，穿透過的電子再用透鏡投影于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，就好像在顯示器內(nèi)一般。這兩種電子顯微鏡的放大率可從100倍到1000000倍，甚至更高。應(yīng)用量子隧穿效應(yīng)，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(wěn)定的電流，針尖會隨著樣品表面的高低而移動，這樣，即可得到分辨率為原子尺寸的樣本表面影像。
自由電子激光
陰極射線管的核心概念為，洛倫茲力定律的應(yīng)用于電子束。陰極射線管廣泛的使用于實驗式儀器顯示器，電腦顯示器和電視。在光電倍增管內(nèi)，每一個擊中光陰極的光子會因為光電效應(yīng)引起一堆電子被發(fā)射出來，造成可偵測的電流脈波。
納米電子學(xué)
納米電子學(xué)是研究結(jié)構(gòu)尺寸為納米級的電子器件和電子設(shè)備的一門科學(xué)。在納米空間尺度0.1~100nm上，電子不能被視為簡單的粒子，其波動性將明顯地顯示出來，因此以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)的納米電子技術(shù)逐漸發(fā)展。其中單電子晶體管這一量子器件只是控制單個電子的運動狀態(tài)，其主要是通過控制電子波動的相位來實現(xiàn)特定功能。因此單電子晶體管比傳統(tǒng)的晶體管具有更高的響應(yīng)速度和更低的功耗。傳統(tǒng)的電子器件無論怎樣改進(jìn)，其響應(yīng)速度最高只能達(dá)到10-12s，功耗最低只能降低到1μW。
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揭秘“上帝粒子”：為何它與萬有引力、進(jìn)化論、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)一樣重要 | 直播預(yù)告.微信公眾平臺.2023-11-08
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質(zhì)子到底有多大? 新的半徑測量來了.微信公眾平臺.2023-11-07
質(zhì)子內(nèi)部有什么?.微信公眾平臺.2023-11-08
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關(guān)于量子力學(xué)的基本原理 |《物理》50年精選文章. 中國物理學(xué)會期刊網(wǎng).2023-09-15
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