L'électron, un des composants de l'atome avec les neutrons et les protons, est une particule élémentaire qui possède une charge élémentaire de signe négatif. Il est fondamental en chimie, car il participe à presque tous les types de réactions chimiques et constitue un élément primordial des liaisons présentes dans les molécules. En physique, l'électron intervient dans une multitude de rayonnements et d'effets. Ses propriétés, qui se manifestent à l'échelle microscopique, expliquent la conductivité électrique, la conductivité thermique, l'effet Vavilov-Tcherenkov, l'incandescence, l'induction électromagnétique, la luminescence, le magnétisme, le rayonnement électromagnétique, la réflexion optique et la supraconductivité, phénomènes macroscopiques largement exploités dans les pays industrialisés. Possédant la plus faible masse de toutes les particules chargées, il sert régulièrement à l'étude de la matière.

Le concept d'une quantité indivisible de charge électrique est élaboré à partir de 1838 par le naturaliste britannique Richard Laming afin d'expliquer les propriétés chimiques des atomes. L'électron est identifié comme le corpuscule envisagé par Joseph John Thomson et son équipe de physiciens britanniques en 1897, à la suite de leurs travaux sur les rayons cathodiques.

C'est à cette époque que Thomson propose son modèle atomique. En 1905, Albert Einstein propose une explication de l'effet photoélectrique — des électrons émis par la matière sous l'influence de la lumière — qui servira d'argument en faveur de la théorie des quanta. En 1912, Niels Bohr explique les raies spectrales en postulant la quantification de l'orbite des électrons de l'atome hydrogène, autre argument soutenant cette théorie. En 1914, les expériences d'Ernest Rutherford et d'autres ont solidement établi la structure de l'atome comme un noyau positivement chargé entouré d'électrons de masse plus faible. En 1923, les résultats expérimentaux d'Arthur Compton convainquent une majorité de physiciens de la validité de la théorie des quanta. En 1924, Wolfgang Pauli définit le principe d'exclusion de Pauli, ce qui implique que les électrons possèdent un spin. La même année, Louis de Broglie émet l'hypothèse, vérifiée plus tard, que les électrons présentent une dualité onde-corpuscule. En 1928, Paul Dirac publie son modèle de l'électron qui l'amènera à prédire l'existence du positron puis de l'antimatière. D'autres études des propriétés de l'électron ont mené à des théories plus complètes de la matière et du rayonnement.

Histoire

Une gravure montrant une scène fictive : l'homme à gauche maintient en l'air un cerf-volant censé recueillir de l'électricité des nuages. Benjamin Franklin se tient près du fil et un arc électrique lumineux apparaît entre son index et le fil. Illustration publiée en 1881.

Les anciens Grecs ont déjà remarqué que l'ambre attire de petits objets quand elle est frottée avec de la fourrure ; en dehors de la foudre, ce phénomène est la plus ancienne expérience de l'humanité en rapport avec l'électricité, un déplacement de particules électriquement chargées.

En 1269, Pierre de Maricourt, un ingénieur militaire au service du prince français Charles I de Sicile, étudie les propriétés des aimants permanents. « Cette étude, qui nous a été transmise sous forme d'une lettre écrite à l'un de ses collègues, comprend la plupart des expériences élémentaires aujourd'hui décrites dans les manuels de physique. » Dans son traité de 1600 De Magnete, le médecin anglais William Gilbert crée le mot bas-latin « electricus » pour désigner la propriété d'attirer les petits objets après frottement. Le mot « électrique » dérive de l'anglais « electrick », qui dérive lui-même du latin « electricus » : « propre à l'ambre ». Le mot latin ēlectrum dérive du grec ἤλεκτρον (êlectron´) désignant l'ambre.

Francis Hauksbee dans les années 1700 et C. F. du Fay en 1737 découvrent indépendamment deux sortes d'électricité : l'une obtenue en frottant du verre et l'autre engendrée en frottant de la résine. Du Fay en conclut que l'électricité peut se réduire à deux fluides électriques, « vitreux » et « résineux », que l'on sépare par frottement, et que l'on peut recombiner ensemble. Une décennie plus tard, Benjamin Franklin soutient que l'électricité ne diffère pas des autres types de fluides électriques mais qu'il s'agit de la même chose, sous des pressions différentes. Il lui apporte la terminologie moderne de charge positive ou négative respectivemement.

Entre 1838 et 1851, le naturaliste britannique Richard Laming développe l'idée qu'un atome est composé d'un noyau de matière, entouré de particules subatomiques qui ont une charge électrique unité. À partir de 1846, le physicien allemand Wilhelm Eduard Weber défend la théorie que l'électricité est composée de fluides chargés positivement et négativement, et qu'une loi en carré inverse régit leur interaction. Après avoir étudié l'électrolyse en 1874, le physicien irlandais George Stoney suggère qu'il existe « une seule quantité définie d'électricité » : la charge d'un ion monovalent. Ce postulat lui donne la capacité d'estimer la valeur de cette charge élémentaire e à partir des lois de l'électrolyse de Faraday. Cependant, Stoney croit que ces charges sont attachées de façon permanente aux atomes, et ne peuvent donc leur être enlevées. En 1881, le physicien allemand Hermann von Helmholtz est convaincu que les charges positives et négatives sont composées de parties élémentaires, chacune « se comportant comme des atomes d'électricité ».

En 1894, Stoney invente le terme d'« électron » pour désigner ces charges élémentaires, écrivant « [...] une estimation a été faite de la valeur réelle de cette unité fondamentale très remarquable d'électricité, pour laquelle je me suis risqué à proposer le nom d'"électron" ». Le mot électron est une combinaison du mot « électrique » et du suffixe « -on », ce dernier étant par la suite utilisé pour désigner une particule subatomique, comme le proton ou le neutron.

Découverte

William Crookes et son tube, ancêtre des tubes cathodiques, sont devenus notoires en Grande-Bretagne, comme en témoigne cette caricature publiée en 1902 par le journal satirique Vanity Fair. La légende de cette image était « ubi Crookes ibi lux », ce qui signifie littéralement « Où il y a Crookes, il y a de la lumière » en latin. C'est une allusion religieuse (« crux », la croix) et peut-être aussi un jeu de mots sur les escrocs (« crooks ») et les illuminés, car il s'est aussi intéressé au spiritisme.

Pendant le XIX siècle, les physiciens allemands Julius Plücker et Johann Wilhelm Hittorf étudient la conductivité électrique des gaz dans des ampoules de verre scellées munies d'une cathode et d'une anode qui permettent de soumettre le gaz à un courant électrique. En 1869, Hittorf observe l'émission, par la cathode, de « faisceaux de particules » chargées si l'ampoule contient un gaz à basse pression. En 1876, le physicien allemand Eugen Goldstein montre que les rayons de cette lueur provoquent une ombre, et il les appelle rayons cathodiques. Pendant les années 1870, le chimiste et physicien anglais William Crookes met au point le premier tube à rayons cathodiques avec un vide poussé à l'intérieur — nommé par la suite « tube de Crookes ». Puis il montre que les rayons lumineux apparaissant dans le tube transmettent de l'énergie, et se déplacent de la cathode vers l'anode. De plus, en appliquant un champ magnétique, il est capable de défléchir les rayons, montrant ainsi que le faisceau se comporte comme s'il était chargé. En 1879, il propose d'expliquer ces propriétés par ce qu'il appelle « matière radiante ». Il estime qu'il s'agit d'un quatrième état de la matière, consistant en molécules chargées négativement, projetées à grande vitesse de la cathode.

Le physicien britannique né allemand Arthur Schuster développe les expériences de Crookes en disposant des plaques métalliques parallèlement aux rayons cathodiques, par lesquelles il peut appliquer différents potentiels électriques. Le champ électrique défléchit les rayons vers la plaque chargée positivement, ce qui renforce la preuve que les rayons portent une charge négative. En mesurant la déflexion selon la différence de potentiel, Schuster est capable en 1890 de mesurer le rapport masse sur charge des composants des rayons. Cependant, son calcul donne une valeur plus de mille fois inférieure à la valeur attendue, si bien que les contemporains n'accordent que peu de confiance à son calcul. En 1895, le thésard et futur physicien français Jean Perrin établit expérimentalement la nature corpusculaire de l'électron, alors que plusieurs scientifiques de cette époque considèrent l'électron comme une onde.

En 1896-1897, le physicien britannique Joseph John Thomson et ses collègues John Townsend et Harold A. Wilson réalisent des expériences indiquant que les rayons cathodiques sont effectivement des particules individualisées, plutôt que des ondes, des atomes ou des molécules comme les spécialistes le croient à l'époque. Thomson fait de bonnes estimations à la fois de la charge e et de la masse m, trouvant que les particules des rayons cathodiques, qu'il appelle « corpuscules », ont environ un millième de la masse de l'ion le plus léger connu alors : l'hydrogène. Il montre que le rapport charge sur masse e/m est indépendant de la matière de la cathode. Il montre de plus que les particules chargées négativement produites par les matériaux radioactifs, les matières chauffées et les matières illuminées sont les mêmes. Son travail considérable sur la déflexion des rayons cathodiques dans un champ électrique est probablement la raison pour laquelle on lui attribue la découverte de l'électron. Le nom d'électron est proposé à nouveau par le physicien irlandais George F. Fitzgerald, cette fois avec succès. Historiquement, l'électron est la première particule élémentaire mise en évidence.

Le physicien français Henri Becquerel, qui a découvert la radioactivité naturelle, a montré en 1896 que les rayons bêta émis par le radium sont défléchis par un champ électrique. Photo prise avant 1908.

En 1900, Paul Drude propose de considérer l'ensemble des électrons d'un métal comme un gaz parfait. Il parvient alors à justifier théoriquement une conclusion expérimentale selon laquelle les bons conducteurs électriques sont aussi de bons conducteurs thermiques. Même si son hypothèse est fausse selon les connaissances actuelles, ce concept de « gaz parfait d'électrons » est encore utilisé en mécanique quantique.

En étudiant les minéraux naturellement fluorescents, le physicien français Henri Becquerel découvre que ceux-ci émettent des rayonnements en l'absence de toute source d'énergie externe. Ces matériaux radioactifs provoquent l'engouement des scientifiques, y compris celui du physicien néo-zélandais Ernest Rutherford, qui découvre qu'ils émettent des particules. Il leur donne le nom de particules alpha, bêta et gamma, selon leur pouvoir de pénétration de la matière. En 1900, Becquerel montre que les rayons bêta émis par le radium sont défléchis par un champ électrique, et que leur rapport masse sur charge est le même que celui des rayons cathodiques. Ce résultat conforte l'idée que les électrons existent comme composants des atomes.

La charge de l'électron est mesurée de façon plus précise par le physicien américain Robert Millikan par son expérience sur la goutte d'huile de 1909, dont il publie les résultats en 1911. Cette expérience utilise un champ électrique pour compenser la pesanteur et empêcher ainsi une goutte d'huile chargée de tomber. Ce système permet de mesurer la charge électrique depuis quelques ions jusqu'à 150, avec une marge d'erreur de moins de 0,3 %. Des expériences comparables ont été faites plus tôt par le groupe de Thomson, en utilisant des brouillards de gouttelettes d'eau chargées par électrolyse et en 1911 par Abram Ioffé, qui a obtenu indépendamment le même résultat que Millikan en utilisant des microparticules de métal, et a publié ses résultats en 1913. Cependant, les gouttes d'huile, moins volatiles, se prêtent mieux à des expériences de longue durée.

Vers le début du XX siècle, des physiciens découvrent que, sous certaines conditions, une particule rapide provoque sur sa trajectoire la condensation de la vapeur d'eau sursaturée. En 1911, le physicien écossais Charles Thomson Rees Wilson, l'un des collaborateurs de Thomson, utilise cet effet pour mettre au point sa chambre à brouillard, qui permet de photographier les traces de particules chargées, comme des électrons rapides, ce qui facilite donc leur étude.

Théorie de l'atome

Le modèle de Bohr de l'atome, montrant les états de l'électron avec des énergies quantifiées par le nombre n. Un électron qui passe à une orbitale plus basse émet un photon possédant une énergie égale à la différence d'énergies entre les orbitales en question.

Les travaux du physicien néo-zélandais Ernest Rutherford, de 1909 à 1912, l'amènent à conclure que l'atome est constitué d'un petit noyau comprenant toute la charge positive et presque toute la masse de l'atome, noyau qui est entouré d'un nuage électronique (voir Expérience de Rutherford). Le physicien britannique Henry Moseley, qui travaille dans le laboratoire de Rutherford en 1913, établit avec certitude l'ordre des éléments chimiques dans le tableau périodique (voir Loi de Moseley).

En 1913, le physicien danois Niels Bohr postule que les électrons sont dans des états quantifiés, dont l'énergie est déterminée par le moment angulaire autour du noyau. Les électrons peuvent passer d'un état à l'autre, par émission ou absorption de photons à des fréquences spécifiques. Au moyen de ces orbites quantifiées, il explique avec toute la précision requise les raies spectrales de l'atome d'hydrogène.

Les travaux des physiciens allemands James Franck et Gustav Hertz, de 1912 à 1914, prouvent la quantification des niveaux d'énergie des électrons dans les atomes et confirment donc les hypothèses du modèle de l'atome de Bohr (voir Expérience de Franck et Hertz). Toutes ces expériences établissent solidement la structure de l'atome comme un noyau chargé positivement et entouré d'électrons de masse plus faible.

Cependant, le modèle de Bohr ne peut rendre compte des intensités relatives des raies spectrales, ni expliquer les spectres d'atomes plus complexes. Malgré ces faiblesses, ce modèle atomique servira d'argument en faveur de la théorie des quanta.

Les liaisons chimiques entre atomes sont expliquées par Gilbert Lewis, qui propose en 1916 que la liaison covalente entre atomes est une paire d'électrons partagés. Plus tard, en 1927, Walter Heitler et Fritz London expliquent complètement la formation des paires d'électrons et des liaisons chimiques en termes de mécanique quantique. En 1919, le chimiste américain Irving Langmuir raffine le modèle statique d'atome de Lewis, et suggère que tous les électrons sont distribués sur des « couches concentriques (à peu près) sphériques, toutes de même épaisseur ». Les couches sont à leur tour divisées en un certain nombre de cellules, chacune contenant une paire d'électrons. Avec ce modèle, Langmuir explique qualitativement les propriétés chimiques de tous les éléments du tableau périodique, que les scientifiques rapprochent selon la loi de similitude.

En 1924, le physicien autrichien Wolfgang Pauli remarque que la structure en couches de l'atome s'explique par le jeu de quatre paramètres qui définissent tous les états énergétiques, tant que chaque état n'est occupé que par un seul électron. Cette interdiction faite à deux électrons d'occuper le même état est devenue connue sous le nom de « principe d'exclusion de Pauli ». Le mécanisme déterminant le quatrième paramètre et ses deux valeurs, est fourni par les physiciens néerlandais Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck, quand ils suggèrent que l'électron, outre le moment angulaire de son orbite, pourrait avoir un moment angulaire intrinsèque. Cette propriété devient notoire sous le nom de « spin » : elle explique le dédoublement des raies spectrales observé avec un spectrographe à haute résolution, qui est resté mystérieux jusque-là ; ce phénomène est connu sous le nom de structure hyperfine des raies. Le principe de Pauli explique pourquoi la matière dite ordinaire crée ce qui est appelé le « volume » de la matière.

La mécanique quantique

Les électrons possèdent, comme toute la matière, la propriété quantique d'être à la fois ondes et corpuscules, si bien qu'ils peuvent avoir des collisions avec d'autres particules, et être diffractés comme la lumière. Cette dualité est facile à constater avec les électrons en raison de leur faible masse. Un électron, en raison de son spin, est un fermion, et satisfait donc au principe d'exclusion de Pauli.

En 1887, l'effet photoélectrique est observé par Heinrich Rudolf Hertz alors qu'il étudie les ondes électromagnétiques, et plusieurs scientifiques ont tenté d'en expliquer les mécanismes, sans résultat. Vingt ans plus tard, en 1905, Albert Einstein propose une première explication, qui lui vaudra le prix Nobel de physique de 1921. Selon lui, des électrons sont émis par la matière seulement si la fréquence de la lumière est supérieure à un certain seuil. Pour y parvenir, il introduit le concept de photon, en utilisant celui de quantum d'énergie récemment proposé dans un tout autre contexte par Max Planck. L'explication d'Einstein sera l'un des premiers arguments en faveur de la théorie des quanta. En 1923, Arthur Compton observe l'allongement de la longueur d'onde du photon causée par la diffusion qui porte son nom, laquelle est provoquée par l'interaction des photons et des électrons. « Ces résultats expérimentaux [sont] les premiers à convaincre la majorité des physiciens de la validité de la théorie quantique. »

Dans sa publication Recherches sur la théorie des quanta, en 1924, le physicien français Louis de Broglie émet l'hypothèse que toute matière possède une onde de De Broglie semblable à la lumière. C'est-à-dire que, selon les conditions, les électrons et autres particules matérielles montrent les propriétés soit de particules, soit d'ondes. Les propriétés corpusculaires d'une particule sont patentes quand elle apparaît à tout moment localisée à un endroit dans l'espace le long d'une trajectoire. La nature ondulatoire est observée, par exemple, quand un faisceau passe à travers des fentes parallèles et crée des figures d'interférence. En 1927, l'effet d'interférence avec un faisceau d'électrons est montré par le physicien anglais George Paget Thomson, au moyen d'un mince film métallique, et par les physiciens américains Clinton Davisson et Lester Germer en utilisant un cristal de nickel.

En mécanique quantique, le comportement d'un électron dans un atome est décrit par une orbitale, qui est une distribution de probabilité plutôt qu'une orbite. Sur la figure, l'intensité de la coloration correspond à la probabilité relative de la présence de l'électron de cette orbitale en ce point.

Le succès de la prédiction de De Broglie conduit à la publication par Erwin Schrödinger, en 1926, de l'équation de Schrödinger qui décrit avec succès la propagation des électrons en tant qu'onde. Plutôt que de fournir une solution donnant la position d'un électron, cette équation d'onde peut être utilisée pour calculer la probabilité de trouver un électron dans un certain volume. Cette approche est ultérieurement nommée mécanique quantique, et donne une très bonne approximation des états d'énergie dans l'atome d'hydrogène. Une fois le spin et les interactions entre les électrons pris en compte, la mécanique quantique modélise avec succès le comportement des électrons dans les atomes plus complexes que celui de l'hydrogène.

En 1928, améliorant le travail de Wolfgang Pauli, le physicien britannique Paul Dirac conçoit un modèle de l'électron — l'équation de Dirac — compatible avec la théorie de la relativité et la mécanique quantique. Pour résoudre certaines lacunes de son équation relativiste, Dirac développe en 1930 un modèle de vide avec une mer infinie de particules d'énergie négative, parfois nommée « mer de Dirac ». Ceci le conduit à prédire l'existence du positron, équivalent de l'électron dans l'antimatière, « entité » physique également prédite par Dirac. Le positron est découvert par Carl D. Anderson, qui propose d'appeler les électrons standard « négatrons » et d'utiliser le terme « électron » comme terme générique pour désigner les deux charges sans distinction. Cet usage du terme « négatron » est encore rencontré à l'occasion, et peut être abrégée en « négaton ».

En 1947, le physicien américain Willis Lamb, en collaboration avec le thésard Robert Retherford, découvre que certains états quantiques de l'atome d'hydrogène, qui devraient avoir la même énergie, se distinguent par un certain décalage, c'est le décalage de Lamb. À peu près au même moment, le physicien germano-américain Polykarp Kusch, travaillant avec Henry M. Foley, découvre que le moment magnétique de l'électron est un peu plus grand que celui prédit par la théorie de Dirac. Cet écart sera ultérieurement appelé « moment magnétique anomal » de l'électron. Pour résoudre ces problèmes, une théorie plus élaborée, appelée « électrodynamique quantique », est mise au point par Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger et Richard Feynman à la fin des années 1940.

Niels Bohr : modèle atomique où les couches électroniques sont quantifiées (modèle de Bohr)

Louis de Broglie : hypothèse, vérifiée, de la dualité onde-corpuscule de l'électron

Arthur Compton : diffusion inélastique d'un photon sur un électron d'un atome (diffusion Compton)

Paul Dirac : équation de Dirac, qui décrit le comportement de particules élémentaires de spins demi-entiers, comme les électrons

Albert Einstein : explication de l'effet photoélectrique, une émission d'électrons sous l'influence de la lumière

Charles-Eugène Guye : expériences qui démontrent la dépendance de la masse de l'électron à sa vitesse

Wolfgang Pauli : principe d'exclusion de Pauli (les électrons ne peuvent pas se trouver au même endroit dans le même état quantique)

Erwin Schrödinger : équation de Schrödinger, qui décrit l'évolution dans le temps d'une particule massive non relativiste, tel l'électron

Charles Thomson Rees Wilson : chambre à brouillard, qui permet d'étudier différentes propriétés des particules, tels les électrons

Caractéristiques

Propriétés élémentaires

Modèle simple de l'atome d'hélium avec un noyau de protons (en rouge) et de neutrons (en vert), et des électrons (en jaune) qui « gravitent » autour.

La masse d'un électron est approximativement 9,109×10 kg, ou 5,489×10 unité de masse atomique. Sur la base du principe d'équivalence masse-énergie d'Einstein, ceci correspond à une énergie de 511 keV. Le rapport entre les masses du proton et de l'électron est d'environ 1 836. Les mesures astronomiques montrent que ce rapport n'a pas changé de façon mesurable pour la moitié de l'âge de l'Univers, comme prédit par le modèle standard.

L'électron a une charge électrique de -1,602×10 C, qui est utilisée comme unité standard de charge pour les particules subatomiques. Selon la limite actuelle de la précision des expériences, la charge de l'électron est directement opposée à celle du proton. Comme le symbole e est utilisé pour la charge élémentaire, le symbole de l'électron est e, le signe – indiquant la charge de l'électron. L'antiparticule de l'électron, le positron, de symbole e, est de charge électrique opposée. Ceci permet l'annihilation d'un électron avec un positron, en ne produisant que de l'énergie sous forme de rayons gamma.

Selon le modèle standard, l'électron n'a pas de sous-composant connu, c'est donc une particule élémentaire. On le définit comme une particule ponctuelle avec une charge ponctuelle. L'observation d'un électron isolé dans un piège de Penning démontre que le rayon de cette particule est inférieur à 10 m. Il y a bien pourtant une constante physique que l'on appelle « rayon classique de l'électron », dont la valeur bien plus grande est de 2,8179×10 m. Cependant cette terminologie provient d'un calcul qui ignore les effets de la mécanique quantique ; en fait le soi-disant rayon classique de l'électron n'a pas grand-chose à voir avec une structure fondamentale de l'électron. Néanmoins, il donne un ordre de grandeur des dimensions pour lesquelles l'électrodynamique quantique devient importante pour comprendre la structure et le comportement de l'électron, notamment par la renormalisation.

Les scientifiques pensent, en s'appuyant sur des bases théoriques, que l'électron est stable : comme c'est la particule la plus légère de charge non nulle, sa désintégration violerait la conservation de la charge électrique. Expérimentalement, la limite inférieure pour la vie moyenne de l'électron est de 2,1×10 s (l'âge de l'Univers est estimé à 4,34×10 s). L'électron diffère en cela des autres leptons chargés, le muon et le tauon, de courtes durées de vie.

L'électron a un moment angulaire intrinsèque, ou spin, de 1 2 {\displaystyle \scriptstyle {\frac {1}{2}}} . Cette propriété est généralement exprimée en appelant l'électron « particule de spin 1 2 {\displaystyle \scriptstyle {\frac {1}{2}}} ». Pour ce genre de particules, la valeur absolue du spin est 3 2 ℏ {\displaystyle \scriptstyle {\frac {\sqrt {3}}{2}}\hbar } , tandis que le résultat de la mesure de la projection du spin sur n'importe quel axe ne peut être que ± ħ/2. Outre le spin, l'électron possède un moment magnétique le long de son spin. Il est approximativement égal à un magnéton de Bohr, qui est une constante physique égale à 9,274×10 J/T. La projection du spin sur la direction de la quantité de mouvement de l'électron définit la propriété connue sous le nom d'« hélicité ».

La forme d'un électron, si elle existe (en tant que particule élémentaire, l'électron ne devrait pas avoir de dimension et donc pas de forme mais il est entouré d'un nuage de particules virtuelles qui lui, a une forme) ne peut être mesurée que de manière détournée : par la mesure de la répartition spatiale de sa charge électrique. Ainsi une forme de nuage parfaitement sphérique donneraient lieu à un champ électrique homogène dans toutes les directions (monopôle électrique) et une forme non sphérique donnerait lieu à un dipôle électrique (dipôle électrostatique). Le modèle standard suggère que le nuage n'est pas sphérique et qu'il constitue un dipôle électrique. Or il semble que la répartition de sa charge électrique est proche d'une sphère parfaite, à 10 cm près, c'est-à-dire que le moment de ce dipôle est quasi nul. Si l'on grossissait le nuage de particules virtuelles d'un électron de sorte qu'il ait le diamètre du système solaire, son dipôle électrostatique (supposé représenter son défaut de sphéricité) serait, au maximum, de l'ordre de la largeur d'un cheveu. Ce résultat a été mesuré grâce à l'étude par laser de molécules de fluorures d'ytterbium refroidies à très basse température. Si les électrons avaient un défaut de sphéricité (un moment dipôlaire), leur champ électrique oscillerait et induirait des déformations de la molécules, ce qui n'a pas été mis en évidence.

Propriétés quantiques

Résultats d'une expérience montrant à la fois la nature corpusculaire et ondulatoire des électrons grâce à un instrument équivalent aux fentes d'Young. Au début de l'expérience (b), des petites taches montrent les endroits où des électrons ont frappé l'écran noir. Lorsque le nombre d'électrons est suffisamment élevé (d et e), les franges apparaissent. Le nombre d'électrons dans les photos est d'environ : (b) 200, (c) 6 000, (d) 40 000 et (e) 140 000.

L'électron présente une dualité onde-particule, qui peut être démontrée par l'expérience des fentes d'Young. Cette propriété lui permet de passer à travers deux fentes parallèles simultanément, plutôt que juste une seule fente, comme cela serait le cas pour une particule classique. En mécanique quantique, la propriété ondulatoire d'une particule peut être décrite mathématiquement comme une fonction à valeurs complexes, la fonction d'onde, couramment dénotée par la lettre grecque psi (ψ). Quand la valeur absolue de cette fonction est élevée au carré, cela donne la probabilité d'observer une particule dans un petit volume près de la position choisie — une densité de probabilité. L'électron peut franchir une barrière de potentiel par effet tunnel, phénomène que la mécanique classique est incapable d'expliquer et que la mécanique quantique explique en faisant appel à la notion de fonction d'onde.

Exemple d'une fonction d'onde antisymétrique pour un état quantique de deux fermions identiques dans une boîte à une dimension. Si les particules échangent leur position, la fonction d'onde change de signe. La fonction d'onde est ici ψ(x1, x2) = √2[sin(πx1)sin(3πx2)] – sin(πx2)sin(3πx1)

Les électrons sont des particules indiscernables, parce qu'ils ne peuvent pas être distingués entre eux par leurs propriétés physiques intrinsèques. En mécanique quantique, ceci signifie qu'une paire d'électrons en présence doit pouvoir intervertir leur position sans provoquer de changement observable dans l'état du système. La fonction d'onde des fermions, notamment des électrons, est antisymétrique, c'est-à-dire qu'elle change de signe quand on échange deux électrons :

${\displaystyle \psi (r_{1},r_{2})=-\psi (r_{2},r_{1})}$,

où r 1 {\displaystyle r_{1}} et r 2 {\displaystyle r_{2}} sont les positions des deux électrons. Comme la valeur absolue est invariable lors du changement de signe de la fonction, ceci indique que les probabilités sont les mêmes. Les bosons, tels les photons, ont des fonctions d'onde symétriques.

Dans le cas de l'antisymétrie, les solutions de l'équation d'onde pour des électrons en interaction résultent en une probabilité nulle que deux électrons occupent la même position, ou, en tenant compte du spin, le même état. C'est la cause du principe d'exclusion de Pauli, qui empêche deux électrons d'occuper le même état quantique. Ce principe explique beaucoup de propriétés des électrons. Par exemple, il permet d'affirmer que des nuages d'électrons liés au même noyau occupent des orbitales toutes différentes, plutôt que de tous se concentrer dans l'orbitale la moins énergétique.

Classification selon le modèle standard

Les particules élémentaires selon le modèle standard. L'électron est en bas à gauche. Les quarks sont en violet, les bosons en rouge et les leptons en vert. Les fermions regroupent à la fois les quarks et les leptons.

Dans le modèle standard de la physique des particules, les électrons appartiennent au groupe des particules subatomiques appelées « leptons », que les scientifiques pensent être des particules élémentaires ou fondamentales, c'est-à-dire qu'elles ne comportent pas de sous-particules. Les électrons ont la plus faible masse de toutes les particules chargées, et appartiennent à la première famille ou génération. Ils sont soumis aux forces gravitationnelles, faibles et électromagnétiques, mais échappent aux interactions fortes.

Les seconde et troisième générations contiennent des leptons chargés, le muon et le tauon, identiques à l'électron sous tous rapports, sauf leur masse, bien plus élevée. Les leptons diffèrent des autres constituants de base de la matière, les quarks, parce qu'ils ne sont pas sensibles aux interactions fortes. Tous les membres du groupe des leptons sont des fermions, parce qu'ils ont un spin 1 2 {\displaystyle \scriptstyle {\frac {1}{2}}} .

Particules virtuelles

Les physiciens pensent que le vide peut être rempli de paires de particules « virtuelles », comme des électrons et des positrons, qui se créent et s'annihilent rapidement ensuite. La combinaison de la variation d'énergie nécessaire à la création de ces particules, et du temps pendant lequel elles existent, reste en dessous du seuil de détectabilité exprimé par le principe d'incertitude de Heisenberg :

${\displaystyle \Delta E\times \Delta t\,\geq \,\hbar }$.

Pratiquement, l'énergie demandée pour créer les particules, Δ E {\displaystyle \scriptstyle \Delta E} , peut être « empruntée » au vide pour une durée Δ t {\displaystyle \scriptstyle \Delta t} , dans la mesure où le produit n'est pas plus grand que la constante de Planck réduite ℏ ≈ 6 , 6 × 10 − 16 e V . s {\displaystyle \scriptstyle \hbar \approx 6,6\times 10^{-16}\,eV.s} . Donc pour une paire électron-positron virtuelle, Δ t ≤ 6 , 6 × 10 − 22 s {\displaystyle \scriptstyle \Delta t\leq 6,6\times 10^{-22}\,s} .

Vue schématique de paires électron-positron virtuelles apparaissant au hasard près d'un électron (en bas à gauche). Les particules virtuelles, portant une charge électrique, masquent en partie la charge de l'électron pour les autres particules. Puisqu'il y a un nombre immense de particules virtuelles qui existent à tout moment, la charge électrique de l'électron nu — si une telle entité existe — est donc infinie selon l'équation de Dirac.

Tant qu'une paire virtuelle électron-positron subsiste, la force coulombienne du champ électrique ambiant entourant un électron fait que le positron est attiré par ce dernier, tandis que l'électron de la paire est repoussé. Ceci provoque ce que l'on appelle la « polarisation du vide ». En fait, le vide se comporte comme un milieu ayant une permittivité diélectrique supérieure à l'unité. Donc la charge effective d'un électron est plus faible que sa valeur nominale. Elle est de plus en plus élevée en s'approchant de la particule : les charges portées par les particules virtuelles masquent celle de l'électron. Les particules virtuelles provoquent un effet de masquage comparable pour la masse de l'électron.

L'interaction avec des particules virtuelles explique aussi la légère déviation (environ 0,1 %) entre le moment magnétique intrinsèque de l'électron et le magnéton de Bohr (le moment magnétique anomal). La précision extraordinaire de l'accord entre cette différence prévue par la théorie et la valeur déterminée par l'expérience est considérée comme une des grandes réussites de l'électrodynamique quantique.

En physique classique, le moment angulaire et le moment magnétique d'un objet dépendent de ses dimensions physiques. Il paraît donc incohérent de concevoir un électron sans dimensions possédant ces propriétés. Le paradoxe apparent peut être expliqué par la formation de photons virtuels dans le champ électrique engendré par l'électron. Ces photons font se déplacer l'électron de façon saccadée (ce qui s'appelle Zitterbewegung en allemand, ou mouvement de tremblement) qui résulte en un mouvement circulaire avec une précession. Ce mouvement produit à la fois le spin et le moment magnétique de l'électron. Dans les atomes, cette création de photons virtuels explique le décalage de Lamb observé dans les raies spectrales.

Interaction

Champs électrique et magnétique

Un électron engendre un champ électrique qui exerce une force attractive sur une particule positivement chargée, comme un proton, et une force répulsive sur une particule négative. La valeur de cette force est donnée par la loi de Coulomb. Quand un électron est en mouvement, il engendre aussi un champ magnétique, cause du magnétisme. La loi d'Ampère-Maxwell relie le champ magnétique au mouvement d'ensemble des électrons (le courant électrique) par rapport à un observateur. C'est cette propriété d'induction qui fournit l'induction électromagnétique qui fait tourner un moteur électrique. Le champ électromagnétique d'une particule chargée animée d'un mouvement arbitraire est exprimé par les potentiels de Liénard-Wiechert, valables même quand la vitesse de la particule s'approche de celle de la lumière (relativiste).

Une particule de charge q part de la gauche à la vitesse v à travers un champ magnétique B orienté vers le lecteur. Puisque q est négatif pour un électron, il suit donc une trajectoire incurvée vers le haut. Si la charge de la particule est nulle, elle se déplace en ligne droite. Si elle est de charge positive, sa trajectoire est incurvée vers le bas.

Quand un électron se déplace dans un champ magnétique, il est soumis à une force de Lorentz, dirigée perpendiculairement au plan défini par le champ et la vitesse de l'électron. Cette force perpendiculaire à la trajectoire contraint l'électron, dans un champ magnétique uniforme, à suivre une trajectoire hélicoïdale dans le champ, sur un cylindre (imaginaire) dont le rayon est appelé « rayon de Larmor ». L'accélération due à ce mouvement en courbe conduit l'électron à émettre de l'énergie sous forme de rayonnement synchrotron. L'émission d'énergie à son tour provoque un recul de l'électron, ce qui est connu sous le nom de « force d'Abraham-Lorentz-Dirac », qui crée une friction qui ralentit l'électron. Cette force est provoquée par une réaction du propre champ de l'électron.

Interaction électromagnétique

En électrodynamique quantique, l'interaction électromagnétique entre particules est transmise par des photons. Un électron isolé, qui ne subit pas d'accélération, ne peut pas émettre ni absorber un photon réel : ceci violerait la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. En revanche, des photons virtuels peuvent transférer de la quantité de mouvement entre deux particules chargées. C'est cet échange de photons virtuels qui, en particulier, engendre la force de Coulomb. Une émission d'énergie peut avoir lieu quand un électron en mouvement est défléchi par une particule chargée, comme un proton. L'accélération de l'électron résulte en émission de rayonnement continu de freinage.

Ici, le rayonnement continu de freinage est produit par un électron e défléchi par le champ électrique d'un noyau atomique. Le changement d'énergie E 2 − E 1 {\displaystyle \scriptstyle E_{2E_{1}} détermine la fréquence f du photon émis.

Une collision inélastique entre un photon (lumière) et un électron solitaire (libre) s'appelle « diffusion Compton ». Cette collision résulte en un transfert d'énergie et de moment entre les particules, qui modifie la longueur d'onde du photon par une quantité appelée « décalage Compton ». La valeur maximale de ce décalage est h / ( m e c ) {\displaystyle \scriptstyle h/(m_{e}\,c)} (avec h {\displaystyle \scriptstyle h} , la constante de Planck, m e {\displaystyle \scriptstyle m_{e}} , la masse de l'électron et c {\displaystyle \scriptstyle c} , la vitesse de la lumière), que l'on désigne sous le nom de « longueur d'onde de Compton ». Pour un électron, elle vaut 2,43×10 m. Une telle interaction entre la lumière et les électrons libres est appelée « diffusion Thomson » ou « diffusion linéaire de Thomson ».

La force relative de l'interaction électromagnétique entre deux particules, comme un électron et un proton, est donnée par la constante de structure fine. C'est une quantité sans dimension formée par le rapport de deux énergies : l'énergie électrostatique d'attraction (ou de répulsion) à la distance d'une longueur d'onde de Compton, et l'énergie au repos de la charge. La constante est donnée par α ≈ 7,297353×10, qui vaut approximativement 1/137.

Quand des électrons et des positrons entrent en collision, ils peuvent s'annihiler, donnant 2 ou 3 photons. Si l'électron et le positron ont un moment négligeable, il peut se former un état lié (positronium) avant que l'annihilation ne se produise, donnant 2 ou 3 photons, dont l'énergie totale est 1,022 MeV. Par ailleurs, des photons de haute énergie peuvent se transformer en une paire d'électron et positron par un processus inverse de l'annihilation que l'on appelle « production de paires », mais seulement en présence d'une particule chargée proche, comme un noyau, susceptible d'absorber le moment de recul.

En théorie des interactions électrofaibles, la composante gauche de la fonction d'onde de l'électron forme un doublet d'isospin faible avec le neutrino-électron. Vis-à-vis des interactions faibles, les neutrinos-électrons se comportent en effet comme des électrons. Chaque membre de ce doublet peut subir une interaction par courant chargé transformant l'un en l'autre par émission ou absorption de boson W, cette transformation étant à la base de la désintégration β des noyaux. L'électron, comme le neutrino, peut subir une interaction par courant neutre couplé au Z, ce qui est notamment la cause de la diffusion électron-neutrino. En plus de l'isopsin, l'électron est doté d'une hypercharge selon la théorie électrofaible.

Atomes et molécules

Plan cartésien, centré sur un noyau d'hydrogène, présentant des densités de probabilité pour les quelques premières orbitales de l'atome. Le niveau d'énergie d'un électron lié détermine l'orbitale qu'il occupe, et la couleur reflète la probabilité de trouver l'électron à une position donnée.

Animation de l'onde d'hydrogène

Un électron peut être « lié » au noyau d'un atome par la force de Coulomb attractive. Un système d'électrons liés à un noyau en nombre égal à la charge positive de ce dernier est appelé un « atome neutre ». Si le nombre d'électrons est différent, le système s'appelle un « ion ». Le noyau des atomes comporte des protons et, en général, des neutrons. Les atomes sont donc formés de trois particules : électrons, neutrons et protons. Le comportement ondulatoire d'un électron lié est décrit par une fonction appelée « orbitale atomique ». Chaque orbitale a son propre ensemble de nombres quantiques, tels que l'énergie, le moment angulaire et la projection de ce dernier sur un axe donné. Suivant le principe d'exclusion de Pauli, chaque orbitale ne peut être occupée au plus que par deux électrons, de spins différents.

Les électrons peuvent changer d'orbitale par émission ou absorption d'un photon dont l'énergie égale la différence d'énergie potentielle entre ces orbitales atomiques. D'autres méthodes de transfert d'orbitale comprennent les collisions avec des particules comme les électrons, et l'effet Auger. Pour s'échapper d'un atome, l'énergie de l'électron doit être hissée au-dessus de son énergie de liaison à l'atome. Ceci peut arriver dans l'effet photoélectrique, quand un photon incident a une énergie qui dépasse l'énergie d'ionisation de l'électron qui l'absorbe.

Le moment angulaire orbital des électrons est quantifié. Comme l'électron est chargé, il produit un moment magnétique orbital proportionnel à son moment angulaire. Le moment magnétique total d'un atome est égal à la somme des moments magnétiques propres et orbitaux de tous les électrons et du noyau. Celui du noyau, cependant, est négligeable par rapport à celui des électrons. Les moments magnétiques des électrons qui occupent la même orbitale (électrons en paire) s'annulent.

En physique, la liaison chimique entre atomes résulte d'interactions électromagnétiques, décrites par les lois de la mécanique quantique. Selon leur proximité du noyau, les chimistes considèrent les électrons de cœur et les électrons de valence ; ce sont ces derniers qui interviennent dans la liaison chimique. Les plus fortes sont les liaisons covalentes et les liaisons ioniques, qui permettent la formation de molécules. Dans une molécule, les électrons se déplacent sous l'influence de plusieurs noyaux, et occupent des orbitales moléculaires, de la même façon qu'ils occupent des orbitales dans des atomes isolés. Un facteur fondamental dans ces structures moléculaires est l'existence de paires d'électrons : celles-ci sont des électrons de spins opposés, ce qui leur permet d'occuper la même orbitale moléculaire sans violer le principe d'exclusion de Pauli (de la même manière que dans les atomes). Les orbitales moléculaires différentes ont des distributions spatiales de densité d'électrons différentes. Par exemple, dans les paires liantes — qui lient les atomes ensemble, on trouve des électrons avec une densité maximale dans un relativement petit volume entre les atomes. Au contraire, pour les paires non liantes, les électrons sont distribués dans un grand volume autour des noyaux. C'est l'existence de paires liantes, où des électrons périphériques sont mis en commun par deux atomes voisins, qui caractérise la liaison covalente. La liaison ionique s'établit lorsque deux ions sont fortement liés par attraction électrostatique, ce qui se produit si un électron d'un atome a une orbitale moléculaire majoritairement située à proximité de l'autre atome.

Les réactions d'oxydoréduction — des échanges d'électrons — englobent la combustion, la métallurgie, l'électrochimie, la corrosion et la respiration cellulaire.

Conductivité électrique

Un éclair de foudre consiste en premier lieu en un courant d'électrons. Le potentiel électrique nécessaire pour la foudre peut être engendré par un effet triboélectrique.

Si un corps a trop d'électrons, ou pas assez, pour équilibrer les charges positives des noyaux, il a une charge électrique non nulle : négative s'il y a trop d'électrons ; positive dans le cas contraire. Si les charges s'équilibrent, le corps est dit neutre.

Des électrons se déplaçant indépendamment, comme dans le vide, sont dits « libres ». Les électrons de valence dans les métaux se comportent aussi comme s'ils étaient libres. De plus, il peut y avoir dans un solide des trous, qui sont des endroits où manque un électron. Ces trous peuvent être comblés par les électrons voisins, mais cela ne fera que déplacer les trous. On peut avoir dans des solides une prédominance de la conduction de l'électricité par le déplacement de trous, plutôt que par le déplacement d'électrons. En fait les particules porteuses de charge dans les métaux et autres solides sont des « quasi-particules », de charge électrique négative ou positive, semblables aux électrons réels.

Quand les électrons libres se déplacent — que ce soit dans le vide ou dans un métal, ils produisent un courant de charges net, que l'on appelle courant électrique, qui engendre un champ magnétique. De même, un courant peut être engendré par un champ électrique, éventuellement provoqué par un champ magnétique variable (induction électromagnétique). Ces interactions sont décrites mathématiquement par les équations de Maxwell.

À une température donnée, chaque matériau a une conductivité électrique qui détermine la valeur du courant électrique quand un potentiel électrique est appliqué. Des exemples de bons conducteurs comprennent des métaux comme le cuivre et l'or, tandis que le verre et le Teflon sont de mauvais conducteurs (ce sont des isolants). Dans tout matériau diélectrique, les électrons restent liés à leurs atomes respectifs, et le matériau se comporte comme un isolant électrique. La plupart des semi-conducteurs ont un degré de conductivité variable entre les extrêmes du conducteur et de l'isolant. Par ailleurs, les métaux ont une structure en bandes électroniques dont certaines ne sont que partiellement remplies. La présence de ce type de bandes permet aux électrons de se comporter comme s'ils étaient libres ou délocalisés. Quand un champ électrique est appliqué, ils peuvent se déplacer comme les molécules d'un gaz (appelé « gaz de Fermi ») à travers la matière, un peu comme des électrons libres. Ces phénomènes sont à la base de toute l'électricité : électrocinétique, électronique et radioélectricité.

En raison des collisions entre électrons et atomes, la vitesse de dérive des électrons dans un conducteur est de l'ordre du mm/s. Cependant la vitesse à laquelle un changement de courant en un point de la matière se répercute sur les courants en d'autres points, la célérité, est typiquement 75 % de la vitesse de la lumière dans le vide. Ceci se produit parce que les signaux électriques se propagent comme une onde, avec une vitesse qui ne dépend que de la constante diélectrique, ou permittivité, du milieu.

Les métaux sont de relativement bons conducteurs de la chaleur, avant tout parce que les électrons délocalisés peuvent transporter de l'énergie thermique d'un atome à l'autre. Cependant, contrairement à la conductivité électrique, la conductivité thermique d'un métal est pratiquement indépendante de la température. Ceci s'exprime mathématiquement par la loi de Wiedemann et Franz, qui dit que le rapport de la conductivité thermique à la conductivité électrique est proportionnel à la température. Comme le désordre thermique du réseau du métal accroît la résistivité du milieu, cela conduit le courant électrique à dépendre de la température.

Quand on les refroidit en dessous d'une température critique, les substances peuvent subir une transition de phase qui leur fait perdre toute résistivité au courant électrique, phénomène appelé « supraconductivité ». Dans la théorie BCS, ce comportement est expliqué par des paires d'électrons (formant des bosons) qui entrent dans l'état connu sous le nom de « condensat de Bose-Einstein ». Ces paires de Cooper voient leur mouvement couplé à la matière environnante par des vibrations du réseau nommées « phonons », évitant ainsi les collisions avec les atomes responsables de la résistance électrique.

Dans les conducteurs solides, les électrons sont des quasi-particules. Quand ils sont fortement confinés aux températures proches du zéro absolu, ils se comportent comme s'ils se décomposaient en deux autres quasi-particules, des spinons et des chargeons. La première transporte le spin et le moment magnétique ; la seconde, la charge électrique : c'est la séparation spin-charge.

Interaction de la lumière et des électrons

« Je veux [...] vous parler du domaine de la physique le mieux connu, à savoir l'interaction de la lumière et des électrons. La plupart des phénomènes qui vous sont familiers mettent en jeu cette interaction de la lumière et des électrons — c'est le cas, par exemple, de l'ensemble des phénomènes physiques traités par la chimie et la biologie. Seuls les phénomènes de gravitation et les processus nucléaires échappent à cette théorie [...] »

— Richard Feynman

La diffusion Rayleigh explique l'effet Tyndall, lequel se manifeste lorsque des rayons solaires passent à travers la brume : la lumière est diffusée.

L'incandescence, qui apparaît dans les matériaux chauffés, est provoquée par les changements d'orbitales des électrons dans l'atome. La luminescence est une émission de lumière qui survient à de relativement basses températures et est aussi une conséquence des changements d'orbitales des électrons dans l'atome. Quand un électron est accéléré, il peut rayonner de l'énergie sous forme de photons. Ce rayonnement électromagnétique se manifeste sous la forme d'ondes radio, de micro-ondes, d'infrarouges, de lumière visible (perçue par l'œil humain), d'ultraviolets, de rayons X ou de rayons gamma.

La diffusion optique, une interaction entre la lumière et les électrons, explique la réflexion optique. La diffusion Rayleigh permet d'expliquer la couleur du ciel et la couleur des plumes de certains oiseaux. La réfraction des ondes électromagnétiques est aussi issue de l'interaction de la lumière et des électrons. Ces phénomènes optiques sont aussi causés par l'interaction des photons avec d'autres particules chargées tel le proton. La plupart des interactions des photons avec la matière se ramènent à trois phénomènes : effet photoélectrique, diffusion Compton et production de paires électron-positron (ou matérialisation). Ils se manifestent la plupart du temps en présence d'électrons, car ce sont les particules chargées les moins lourdes.

Mouvement et énergie

Selon la relativité restreinte d'Albert Einstein, quand la vitesse d'un électron se rapproche de la vitesse de la lumière, du point de vue d'un observateur, sa masse relativiste augmente, ce qui rend de plus en plus difficile de l'accélérer à partir du repère de l'observateur. Ainsi, la vitesse d'un électron peut s'approcher de la vitesse de la lumière dans le vide c, mais jamais l'atteindre. Si un électron relativiste, c'est-à-dire se déplaçant à une vitesse proche de c, est injecté dans un milieu diélectrique comme l'eau, où la vitesse de la lumière est significativement inférieure à c, il va se déplacer plus vite que la lumière dans le milieu. Le déplacement de sa charge dans le milieu va produire une légère lumière appelée « rayonnement Tcherenkov » par effet Vavilov-Tcherenkov.

Le facteur de Lorentz γ en fonction de la vitesse v. Il part de l'unité et tend vers l'infini quand v tend vers c.

Les effets de la relativité restreinte sont basés sur une quantité appelée facteur de Lorentz, défini comme

${\displaystyle \gamma =1/{\sqrt {1v^{2}}/{c^{2}}}}}$,

où v est la vitesse de la particule. L'énergie cinétique ${\displaystyle \scriptstyle K_{e}}$ d'un électron se déplaçant à la vitesse v est :

${\displaystyle K_{\mathrm {e} }=(\gamma -1)m_{\mathrm {e} }c^{2},}$

où m e {\displaystyle \scriptstyle m_{e}} est la masse de l'électron. À titre d'exemple, l'accélérateur linéaire de SLAC peut accélérer un électron jusqu'à environ 51 GeV. Puisque la masse de l'électron est de 0,51 MeV/c, ceci donne une valeur d'environ 100 000 pour γ {\displaystyle \scriptstyle \gamma } . Le moment relativiste d'un tel électron est donc 100 000 fois celui que la mécanique classique prédirait à un électron de cette vitesse.

Comme un électron se comporte également comme une onde, à une vitesse donnée, il a une longueur d'onde de De Broglie caractéristique donnée par

${\displaystyle \lambda _{e}={\frac {h}{p}},}$

où h est la constante de Planck et p la quantité de mouvement.

Destruction et création

Production d'une paire électron-positron par collision d'un photon avec le noyau d'un atome.

Les électrons sont détruits lors de la capture électronique qui survient dans les noyaux d'atomes radioactifs. En 1937, étudiant les réactions nucléaires dans le vanadium 49, le physicien américain Luis Walter Alvarez observe le premier des captures électroniques.

La plupart des électrons de l'Univers ont été créés lors du Big Bang. Ils peuvent être aussi produits par radioactivité β des noyaux radioactifs et dans des collisions de haute énergie telles celles engendrées par la pénétration de rayons cosmiques dans l'atmosphère terrestre. Il existe trois processus de création d'électrons.

À la naissance de l'Univers

Le Big Bang est la théorie scientifique la plus largement acceptée pour expliquer les premiers stades de l'évolution de l'Univers, dont l'âge est estimé en 2011 à environ 13,75 milliards d'années. Pendant la première milliseconde après le Big Bang, les températures atteignent 10 K, et les photons ont une énergie moyenne supérieure à 1 MeV. Ils ont donc des énergies suffisantes pour réagir ensemble et former des paires d'électron-positron :

${\displaystyle \gamma \,+\,\gamma ~\leftrightharpoons ~\mathrm {e} ^{+}\,+\,\mathrm {e} ^{-},}$

où γ est un photon, e un positron et e un électron. Inversement, des paires électron-positron s'annihilent pour émettre des photons énergétiques. Il y a donc pendant cette période un équilibre entre électrons, positrons et photons. Au bout de 15 secondes, la température de l'Univers est descendue sous la valeur où la création de paires positron-électron peut avoir lieu. La plupart des électrons et des positrons qui restent s'annihilent, relâchant des photons qui réchauffent l'univers pour un temps.

Pour des raisons encore inconnues de nos jours, pendant le processus de leptogénèse, il y a en fin de compte plus d'électrons que de positrons. Il en résulte qu'un électron sur environ un milliard a survécu au processus d'annihilation. Cet excès a compensé l'excès des protons sur les antiprotons, dans le processus appelé « baryogénèse », ce qui résulte en une charge nette nulle pour l'Univers. Les protons et neutrons qui ont survécu ont commencé à réagir ensemble, dans un processus appelé nucléosynthèse primordiale, formant des isotopes de l'hydrogène et de l'hélium, ainsi qu'un tout petit peu de lithium. Ce processus a culminé au bout de 5 minutes. Tous les neutrons résiduels ont subi une désintégration β, avec une vie moyenne de mille secondes, relâchant un proton, un électron et un antineutrino, par le processus :

${\displaystyle \mathrm {n} ~\Rightarrow ~\mathrm {p} ^{+}\,+\,\mathrm {e} ^{-}\,+\,{\bar {\mathrm {\nu } }}_{\mathrm {e} },}$

où n est un neutron, p un proton et ν ¯ e {\displaystyle \scriptstyle {\bar {\mathrm {\nu } }}_{\mathrm {e} }} un antineutrino électronique. Pour la période allant jusqu'à 300 000-400 000 ans, les électrons restants sont trop énergétiques pour se lier aux noyaux atomiques, et toute la lumière circulant dans l'Univers est constamment diffusée par ces électrons. Il suit une période que l'on appelle la « recombinaison », où les atomes neutres sont formés, et l'univers en expansion devient transparent au rayonnement.

Dans les étoiles

Dans ce schéma montrant la chaîne proton-proton, un exemple de nucléosynthèse stellaire qui prédomine dans les étoiles d'une taille similaire ou inférieure à celle du Soleil.

Environ un million d'années après le Big Bang, la première génération d'étoiles commence à se former. Dans une étoile, la nucléosynthèse stellaire aboutit à la production de positrons par fusion de noyaux atomiques et désintégration β des noyaux ainsi produits, qui transforme l'excès de protons en neutrons. Les positrons ainsi produits s'annihilent immédiatement avec les électrons, en produisant des rayons gamma. Le résultat net est une réduction constante du nombre d'électrons, et la conservation de la charge par un nombre égal de transformations de protons en neutrons. Cependant, le processus d'évolution stellaire peut aboutir à la synthèse de noyaux lourds instables, qui à leur tour peuvent subir des désintégrations β, ce qui recrée de nouveaux électrons. Un exemple en est le nucléide cobalt 60 (Co), qui se désintègre en nickel 60 (Ni).

Au bout de sa vie, une étoile plus lourde que 20 masses solaires peut subir un effondrement gravitationnel pour former un trou noir. Selon la physique classique, ces objets stellaires massifs exercent une attraction gravitationnelle suffisamment forte pour empêcher tout objet, y compris le rayonnement électromagnétique, de s'échapper du rayon de Schwarzschild. Cependant des astrophysiciens pensent que les effets quantiques permettent au trou noir d'émettre un faible rayonnement de Hawking à cette distance et que des électrons (et des positrons) sont créés à l'horizon des trous noirs.

Quand des paires de particules virtuelles — comme un électron et un positron — sont créées au voisinage de l'horizon, leur distribution spatiale aléatoire peut permettre à l'une d'entre elles d'apparaître à l'extérieur : ce processus est nommé effet tunnel quantique. Le potentiel gravitationnel du trou noir peut alors fournir l'énergie qui transforme cette particule virtuelle en une particule réelle, ce qui lui permet de se répandre dans l'espace. En échange, l'autre membre de la paire reçoit une énergie négative, ce qui résulte en une perte nette de masse-énergie du trou noir. Le rythme du rayonnement de Hawking croît quand la masse décroît, ce qui finit par provoquer l'évaporation complète du trou noir.

Par les rayons cosmiques

Une grande gerbe de particules — pions, muons, électrons, protons, neutrons, positrons — est engendrée lorsqu'un rayon cosmique énergétique frappe l'atmosphère terrestre.

Les rayons cosmiques sont des particules se déplaçant dans l'espace avec de très grandes énergies. Des événements avec des énergies jusqu'à 3×10 eV ont été observés. Quand ces particules rencontrent des nucléons dans l'atmosphère terrestre, elles engendrent une gerbe de particules, comprenant des pions. Plus de la moitié du rayonnement cosmique observé au niveau du sol consiste en muons. Le muon est un lepton produit dans la haute atmosphère par la désintégration d'un pion. À son tour, le muon va se désintégrer pour former un électron ou un positron. Donc, pour le pion négatif π,

${\displaystyle \mathrm {\pi } ^{-}~\rightarrow ~\mathrm {\mu } ^{-}\,+\,{\bar {\mathrm {\nu } _{\mathrm {\mu } }}},}$

${\displaystyle \mathrm {\mu } ^{-}~\rightarrow ~\mathrm {e} ^{-}\,+\,{\bar {\mathrm {\nu } }}_{\mathrm {e} }\,+\,\mathrm {\nu } _{\mathrm {\mu } },}$

où ${\displaystyle \mathrm {\mu } }$ est un muon et ${\displaystyle \scriptstyle \mathrm {\nu } _{\mathrm {\mu } }}$ un neutrino muonique.

Observation

Les aurores polaires sont principalement provoquées par des électrons énergétiques en provenance du Soleil, pénétrant dans l'atmosphère.

L'observation à distance des électrons exige la détection de l'énergie qu'ils rayonnent. Par exemple, dans des environnements riches en phénomènes énergétiques comme la couronne des étoiles, les électrons libres forment un plasma et transmettent de l'énergie par rayonnement continu de freinage. Le gaz d'électrons peut subir une onde de plasma, qui consiste en ondes provoquées par des variations synchronisées de la densité d'électrons, ce qui provoque des émissions d'énergie détectables avec des radiotélescopes.

Dans les conditions de laboratoire, les interactions d'un électron peuvent être observées au moyen de détecteurs de particules, ce qui permet la mesure des propriétés spécifiques telles que l'énergie, le spin ou la charge. La mise au point des pièges de Paul et de Penning permet de contenir des particules chargées dans un petit volume pour de grandes durées. Ceci permet des mesures précises des propriétés des particules.

Les premières images de la distribution en énergie d'un électron ont été réalisées par un groupe de l'université de Lund en Suède, en février 2008. Les scientifiques ont utilisé des impulsions très brèves de lumière (de 1 attoseconde, soit 10 s), qui ont permis pour la première fois d'observer le mouvement de l'électron.

La distribution des électrons dans les solides peut être visualisée par spectrométrie photoélectronique UV analysée en angle. Cette technique utilise l'effet photoélectrique pour mesurer le réseau réciproque — représentation mathématique des structures périodiques utilisée pour déduire la structure originelle. L'ARPES peut être utilisée pour déterminer la direction, la vitesse et la diffusion des électrons au sein du solide.

Applications

Les propriétés de l'électron sont exploitées dans le microscope électronique, le tube cathodique, le soudage, l'effet laser, le capteur photographique et l'accélérateur de particules.

Expressions

Électron anti-liant : électron occupant une orbitale moléculaire antiliante ;

Électrons appariés : électrons de spin opposés occupant une même orbitale atomique ou moléculaire ;

Électron Auger : électron émis par effet Auger ;

Électron célibataire : qui occupe seul une orbitale atomique ou moléculaire ;

Électron de conduction : situé dans la bande de conduction d'un solide ;

Électrons équivalents : électrons d'un atome ayant les mêmes nombres quantiques n et l, ils occupent donc la même sous-couche ;

Électron K, L… : qui appartient à la couche K, L, etc. ;

Électron liant : occupe une orbitale liante d'une molécule et participe donc à la liaison chimique ;

Électron libre : électron faiblement attaché au noyau d'un atome. Également, de façon imagée, se dit d'une personne agissant selon ses valeurs, en dehors des normes établies par une institution.

Électron optique : présent dans la couche non saturée la plus externe de l'atome, il intervient dans les liaisons chimiques ;

Électron périphérique : synonyme d'électron de valence ;

Électron secondaire : électron émis par un solide frappé par des électrons ;

Électron de valence : présent dans la couche non saturée la plus externe de l'atome, il émet des rayonnements électromagnétiques qui sont étudiés en spectroscopie atomique ;

Électron-volt : unité de mesure de l'énergie surtout utilisée en physique des particules ;

Rayon classique de l'électron : si l'électron est considéré comme une sphère, son rayon théorique tel que calculé selon la mécanique quantique ;

Rayon de l'électron : rayon théorique de l'électron ;

Théorie des électrons de Lorentz : proposée par Hendrik Lorentz vers la fin du XIX siècle.

D'autres expressions, tels « modèle de l'électron libre » et « gaz d'électrons », comprennent le mot « électron ».

电子（英语：electron）是一种带有负电的亚原子粒子，通常标记为。电子属于轻子类，以重力、电磁力和弱核力与其它粒子相互作用。轻子是构成物质的基本粒子之一，即其无法被分解为更小的粒子。电子带有1/2自旋，是一种费米子。因此，根据泡利不兼容原理，任何两个电子都不能处于同样的状态。电子的反粒子是正子，其质量、自旋、带电量大小都与电子相同，但是电量正负性与电子相反。电子与正子会因碰撞而互相湮灭，在这过程中，创生一对以上的光子。

由电子与中子、质子所组成的原子，是物质的基本单位。相对于中子和质子所组成的原子核，电子的质量显得极小。质子的质量大约是电子质量的1836倍。当原子的电子数与质子数不等时，原子会带电；称该带电原子为离子。当原子得到额外的电子时，它带有负电，叫阴离子，失去电子时，它带有正电，叫阳离子。若物体带有的电子多于或少于原子核的电量，导致正负电量不平衡时，称该物体带静电。当正负电量平衡时，称物体的电性为电中性。静电在日常生活中有很多用途，例如，静电油漆系统能够将瓷漆或聚氨酯漆，均匀地喷洒于物品表面。

电子与质子之间的吸引性库仑力，使得电子被束缚于原子，称此电子为束缚电子。两个以上的原子，会交换或分享它们的束缚电子，这是化学键的主要成因。当电子脱离原子核的束缚，能够自由移动时，则改称此电子为自由电子。许多自由电子一起移动所产生的净流动现象称为电流。在许多物理现象里，像电传导、磁性或热传导，电子都扮演了机要的角色。移动的电子会产生磁场，也会被外磁场偏转。呈加速度运动的电子会发射电磁辐射。

根据大爆炸理论，宇宙现在所存在的电子，大部份都是创生于大爆炸事件。但是，有一小部份是因为放射性物质的β衰变或高能量碰撞而创生的。例如，当宇宙线进入大气层时遇到的碰撞。在另一方面，许多电子会因为与正子相碰撞而互相湮灭，或者，会在恒星内部制造新原子核的恒星核合成过程中被吸收。

在实验室里，精密的尖端仪器，像四极离子阱，可以长时间局限电子，以供观察和测量。大型托卡马克设施，像国际热核聚变实验反应堆，借着局限电子和离子电浆，来实现受控核融合。无线电望远镜可以用来侦测外太空的电子电浆。

电子的应用领域很多，像电子束焊接、阴极射线管、电子显微镜、放射线治疗、激光和粒子加速器等等。

历史

早在古希腊时期，人们就发现摩擦过的琥珀（古希腊语：ήλεκτρον ，"ēlektron"）能吸引轻小物体，他们称这种现象为电（electricity）。 在中国，古人王充所著书籍《论衡》（约公元一世纪，即东汉时期）中有关于静电的记载：「顿牟掇芥」，顿牟就是琥珀，当琥珀经摩擦后，即能吸引像草芥一类的轻小物体。但古文对于电并没有更深入的了解。 探索与发现 生于十八世纪，富兰克林对于电学贡献良多。 英国人威廉·吉尔伯特、法国人查尔斯·笃费等先后研究和发表了许多关于电的现象和电的特性。但是他们都是通过摩擦的方法产生的电，并且都没有办法存储住大量的电荷。一直到荷兰莱顿大学的物理学教授彼德·马森布罗克发明出了用电容原理储存电荷的莱顿瓶，才为人类进一步研究打下基础。 到18世纪，美国人本杰明·富兰克林意识到闪电与摩擦起电是相似的过程，并且做风筝实验证实。富兰克林认为在正常状况，每一种物质都含有固定比例的电量。假设，经过某种进程，促使物体得到更多电，则称此物体带正电；假设，经过另一种进程，促使物体失去电，则称此物体带负电。假设，这两个物体互相接触到对方，电流会从带正电物体流往带负电物体，这样，设定了电流方向（与我们今天认识到的电子流动方向正好相反）。 在黑暗中，做摩擦起电的动作，就能够看到电火花。空中的闪电也是有颜色的。可是要研究电流本身的颜色，必须有一个能够提供长时间持续平稳电流的电源，并且，这电流必需是在真空中放电形成的才行。上述几位研究者都无法得到这种电源，意大利人亚历山德罗·伏打发明的伏打电堆则解决了这一问题。后来，麦可·法拉第又研究出更廉价的发电机，使得长时间维持大量电流变得更加容易。第二问题的解决则是由德国人海因里希·盖斯勒完成，这位杰出的吹管工人，做成了一台以水银的往复运动为原理的真空泵。他又利用这台真空泵，制造出当时世界上最纯的真空管，后来称为盖斯勒管。19世纪50年代，德国物理学家尤利乌斯·普吕克将一支空气含量万分之一的玻璃管两端装上两根白金丝，并在两电极之间通上高压电，便出现了辉光放电（Electric glow discharge）现象。普吕克和他的学生约翰·希托夫发现，辉光是在带负电的阴极附近出现的。1858年，普吕克报告了这一现象，并且提出富兰克林的猜测是错误的——即电荷是从阴极发射到阳极而不是相反。可是那辉光的本质到底是不是电流，普吕克还不能确定，他认为可能是稀薄气体或是电极上脱落下来的金属。 德国人欧根·戈尔德斯坦后来将不同的气体释入真空管，并且用不同的金属做电极，但都得到同样的实验结果。于是，他认为这种辉光与电流本身有关，并且将它命名为阴极射线。普吕克的学生希托夫继续了老师的实验。他将真空管做成圆球状并且在阴极与阳极之间放置了十字形的金属箔片，在阳极的位置果然出现了十字形阴影，这说明从阴极确实发射出了一些东西（现在我们知道这就是电子）。他还发现即使将金属换成透明的云母也能产生阴影——这说明这种辉光不同于可见光。然而，要做出进一步的研究需要真空度更高的真空管。 英国人威廉·克鲁克斯在1878年利用一种水银真空泵，制造出了气体含量仅为盖斯勒管1/75000的真空管，被称作克鲁克斯管。克鲁克斯注意到，当逐渐抽出克鲁克斯管内的气体时，阴极附近开始出现黑暗区域，随着真空度的增加，这黑暗区域也会扩张。克鲁克斯提议，这黑暗区域的宽度与阴极粒子的平均自由程有关；黑暗区域与辉光区域的界面，即为粒子与气体分子相互碰撞的起始面；在黑暗区域内，没有什么碰撞；而在辉光区域，发生了很多碰撞事件；在管面的萤光，则是因为粒子与管面发生碰撞。 克鲁克斯等英国物理学家认为阴极射线并不是射线，而是一种带电粒子。这观点遭到了以海因里希·赫兹为首的德国物理学家的反对。赫兹的学生德国物理学家菲利普·莱纳德在1889年进行了一个实验：他在阳极安装了薄铝箔窗，这样就能把阴极射线导出到空气中。赫兹提出，阴极射线能够穿过薄金属箔，因此它不可能是粒子（事实上，如果金属箔足够薄，光线同样也能通过）。同时，赫兹还在真空管的两侧施加了电场，结果发现并没有观察到预期的偏转（赫兹的电场加得不够大，偏转难以观察到，用磁场会产生更好的效果），这更加坚定了他的信念。 约瑟夫·汤姆森，电子的发现者。 1895年，让·佩兰发现阴极射线能够使真空管中的金属物体带上负电荷，支持了克鲁克斯的理论。1897年，剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆孙重做了赫兹的实验。使用真空度更高的真空管和更强的电场，他观察出阴极射线的偏转，并计算出了阴极射线粒子（电子）的电荷质量比，因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。汤姆孙采用1891年乔治·斯托尼所起的名字——电子来称呼这种粒子。至此，电子做为人类发现的第一个亚原子粒子和打开原子世界的大门被汤姆孙发现了。 于1896年，在研究天然发萤光矿石的时候，法国物理学家亨利·贝克勒发现，不需要施加外能源，这些矿石就会自然地发射辐射。这些放射性物质引起许多科学家的兴趣，包括发现这些放射性物质会发射粒子的新西兰物理学家欧尼斯特·拉塞福。按照这些粒子穿透物质的能力，拉塞福替这些粒子分别取名为阿伐粒子和贝他粒子（「阿伐」是希腊字母的第一个字母「α」，「贝他」是第二个字母「β」）。于1900年，贝克勒发现，镭元素发射出的贝他射线，会被电场偏转；还有，贝他射线和阴极射线都有同样的电荷质量比。这些证据使得物理学家更强烈地认为电子本是原子的一部分，贝他射线就是阴极射线。 于1909年，美国物理学家罗伯特·密立根做了一个著名实验，称为油滴实验，可以准确地测量出电子的带电量。在这实验里，他使用电场的库仑力来抵销带电油滴所感受到的重力。从电场强度，他计算出油滴的带电量。他的仪器可以准确地测量出含有1到150个离子的油滴的带电量，而且实验误差可以限制到低于0.3%。他发现每一颗油滴的带电量都是同一常数的倍数，因此，他推论这常数必是电子的带电量。汤姆孙和学生约翰·汤森德使用电解的离子气体来将过饱和水蒸气凝结，经过测量带电水珠粒的带电量，他们也得到了相似结果。于1911年，亚伯兰·约费使用带电金属微粒，独立地得到同样的结果。但是，油滴比水滴更稳定，油滴的蒸发率较低，比较适合更持久的精准实验。 二十世纪初，实验者发现，快速移动的带电粒子会在经过的路径，使过冷却、过饱和的水蒸气凝结成小雾珠。于1911年，查尔斯·威尔森应用这理论设计出云室仪器。这奇妙的发明使得实验者能够用照相机拍摄到快速移动电子的轨道，成为早期研究基本粒子的重要方法。 原子理论 原子的波耳模型示意图，显示出以主量子数标记的三个量子态能级。当一个电子从能级较高的量子态，跃迁至能级较低的量子态时，会发射一个光子；这光子的能量等于两个量子态的能级差额。 在不同的时代，人们对电子在原子中的存在方式有过各种不同的推测。 最早的原子模型是汤姆森的梅子布丁模型。发表于1904年，汤姆森认为电子在原子中均匀排列，就像带正电布丁中的带负电梅子一样。1909年，著名的拉塞福散射实验彻底地推翻了这模型。 拉塞福根据他的实验结果，于1911年，设计出拉塞福模型。在这模型里，原子的绝大部分质量都集中于小小的原子核，原子的绝大部分都是真空。而电子则像行星围绕太阳运转一样围绕着原子核运转。这一模型对后世产生了巨大影响，直到现在，许多高科技组织和单位仍然使用电子围绕着原子核的原子图像来代表自己。 在经典力学的框架之下，行星轨道模型有一个严重的问题不能解释：呈加速度运动的电子会产生电磁波，而产生电磁波就要消耗能量；最终，耗尽能量的电子将会一头撞上原子核（就像能量耗尽的人造卫星最终会进入地球大气层）。于1913年，尼尔斯·波耳提出了波耳模型。在这模型中，电子运动于原子的某一特定的轨域。距离原子核越远，轨域的能量就越高。当电子从距离原子核更远的轨域，跃迁到距离原子核更近的轨域时，会以光子的形式释放出能量。相反的，从低能级轨域跃迁到高能级轨域则会吸收能量。借着这些量子化轨域，波耳正确地计算出氢原子光谱。但是，使用波耳模型，并不能够解释谱线的相对强度，也无法计算出更复杂原子的光谱。这些难题，尚待后来量子力学的解释。 1916年，美国物理化学家吉尔伯特·路易斯成功地解释了原子与原子之间的相互作用。他建议两个原子之间一对共用的电子，称为电子对，形成了共价键。于1923年，沃尔特·海特勒和弗里茨·伦敦应用量子力学理论，完整地解释清楚电子对产生和化学键形成的原因。于1919年，欧文·朗缪尔将路易斯的立方原子模型加以发挥，建议所有电子都分布于一层层同心的（接近同心的）、等厚度的球形壳。他又将这些球形壳分为几个部分，每一个部分都含有一对电子。使用这模型，他能够解释周期表内每一个元素的周期性化学性质。 1924年，奥地利物理学家沃尔夫冈·包立用一组参数来解释原子的壳层结构。这一组的四个参数，决定了电子的量子态。每一个量子态只能容许一个电子占有。（这禁止多于一个电子占有同样的量子态的规则，称为泡利不兼容原理）。这一组参数的前三个参数分别为主量子数、角量子数和磁量子数。第四个参数只能有两种选择。于1925年，荷兰物理学家撒姆尔·高斯密特和乔治·乌伦贝克提出了第四个参数所代表的物理机制。他们认为电子，除了运动轨域的角动量以外，可能会拥有内在的角动量，称为自旋；这性质可以用来解释先前在实验里，用高分辨率光谱仪观测到的神秘的精细结构分裂，即原子谱线从先前的一条线分裂成数条线。 量子力学 1924年，法国物理学家路易·德布罗意在他的博士论文《量子理论研究》（《Recherches sur la théorie des quanta》）里，提出了德布罗意假说，假设所有物质都拥有类似光波的波动性质。按照这假设，给予适当的条件，电子和其它物质会显示出波动的性质。假若，物理实验能够显示出，随着时间演化，物体移动于空间轨道的局域位置，则这实验明确地显示了粒子性质。假若，物理实验能够显示出，粒子通过狭缝后，会产生干涉图样于侦测屏障，则这实验明确地显示了波动性质。1927年，英国物理学家乔治·汤姆森用金属薄膜，美国物理学家柯林顿·戴维森和雷斯特·革末用镍晶体，分别将电子的干涉效应显示于侦测屏障。 在量子力学里，束缚于原子内部的电子的物理行为可以用原子轨域来描述，这轨域并不是轨道，而是机率幅。机率分布是机率幅绝对值的平方。此图显示1s原子轨域。某位置的色彩浓淡表示电子处于那位置的相对机率。 德布罗意的博士论文给予埃尔温·薛丁格莫大的启示：既然粒子具有波动性，那必定有一个波动方程序，能够完全地描述这粒子的波动行为。1926年，薛丁格提出了薛丁格方程序。这波动方程序能够描述电子的波动行为。它并不能命定性地给出电子的明确运动轨道，电子在任意时间的位置。但是，它可以计算出电子处于某位置的机率，也就是说，在某位置找到电子的机率。薛定谔用自己想出的方程序来计算氢原子的谱线，得到了与用波耳模型的预测雷同的答案。再进一步将电子的自旋和几个电子的互相作用纳入考量，薛丁格方程序也能够给出电子在其它原子序较高的原子内的电子组态。薛丁格的点子，为量子力学创立了一个崭新的发展平台。 1928年，保罗·狄拉克发表了狄拉克方程序。这公式能够描述相对论性电子的物理行为。相对论性电子是移动速度接近光速的电子。为了要解释狄拉克方程序的自由电子解所遇到的反常的负能量态问题，狄拉克提出了一个真空模型，称为狄拉克之海，即真空是挤满了具有负能量的粒子的无限海。因此，他预言宇宙中存在有正子（电子的反物质搭配）。1932年，卡尔·安德森在宇宙射线实验中首先证实了正子的存在。 1947年，威利斯·兰姆在与研究生罗伯特·雷瑟福（Robert Retherford）合作的实验中，发现氢原子的某些应该不会有能量差值的简并态，竟然出现很小的能量差值。这现象称为兰姆位移。大约同年代，波利卡普·库施和亨利·福立在共同完成的一个实验中，发现电子的异常磁矩，即电子的磁矩比狄拉克理论的预估稍微大一点。为了解释这些现象，朝永振一郎、朱利安·施温格和理察·费曼，于1940年代，创建了量子电动力学。 粒子加速器 二十世纪的前半世纪，粒子加速器运作所需的理论与设备都已发展成熟。物理学家已经准备好更进一步地研究亚原子粒子的性质。1942年，唐纳德·克斯特首先成功地使用电磁感应将电子加速至高能量。在他领导下，贝他加速器最初的能量达到2.3百万电子伏（MeV）；后来，能量更达到300MeV。1947年，在通用电器实验室，使用一台70MeV电子同步加速器，物理学家发现了同步辐射，即移动于磁场的相对论性电子因为加速度而发射的辐射。 1968年，第一座粒子束能量高达1.5吉电子伏（GeV），名为大保存环对撞机的粒子对撞机，在意大利的核子物理国家研究院开始运作。这座对撞机能够将电子和正子反方向地分别加速。与用电子碰撞一个静止标靶相比较，这方法能够有效地使碰撞能量增加一倍。从1989年运行到2000年，位于瑞士日内瓦近郊的欧洲核子研究组织的大型电子正子对撞机，能够实现高达209GeV的碰撞能量。这对撞机曾经完成多项实验，对于考练与核对粒子物理学的标准模型的正确性有很大的贡献。

物理特性

分类 基本粒子的标准模型。电子位于左下方。 在粒子物理学里，根据标准模型，电子属于亚原子粒子中的轻子类。电子是基本粒子。在所有带电的轻子中，电子的质量最小，属于第一代基本粒子。缈子和涛子分别为第二代和第三代的轻子。它们的电荷量、自旋和基本交互作用，都与电子相同；质量都大于电子。轻子与夸克的主要不同点是轻子不以强核力与其它粒子相互作用。轻子的自旋是半奇数。凡是自旋为半奇数的粒子都是费米子。所以，轻子是费米子。电子的自旋是。 基本性质 电子的质量大约为9.109 × 10公斤或5.489 × 10amu。根据阿尔伯特·爱因斯坦的质能等价原理，这质量等价于0.511 MeV静止能量。质子质量大约为电子质量的1836倍。天文测量显示出，至少在最近这半个宇宙的年龄期间，这质量比例都保持稳定不变，就如同标准模型所预测的一样。 电子带有的电量是基本电荷电量：-1.602 × 10库仑。这是亚原子粒子所使用的电荷单位的电量。有些物理学家会提出疑问：电子与质子的绝对带电量是否有可能不相等？很遗憾的是，选用最尖端、最准确的仪器于精心设计的实验，物理学家仍旧无法对这疑问给予明确的解答。基本电荷通常用符号表示。电子用符号表示；正子用符号表示；其中，正负号分别表示带有正负电荷。除了带有电荷的正负号不同以外，正子与电子的其它性质都相同。 电子拥有内在的角动量，称为自旋。电子的自旋量子数为。通常，当谈到这性质时，电子会被指为是一种自旋1/2粒子。对于这种粒子，自旋角动量是 。 任何有关自旋的射影于任意坐标轴的测量，得到的答案只能为。沿着自旋轴，电子的内在磁矩大约为1波耳磁元，或9.274 009 15（23）×10焦耳/特斯拉。电子的自旋对于动量方向的投影，是电子的螺旋性。 电子没有任何次结构。物理学家认为电子是一个点粒子，不占有任何空间。从观测束缚于潘宁阱内的电子而得到的实验结果，物理学家推断电子半径的上限为10公尺。古典电子半径是2.8179 × 10。这个结果是从古典电动力学和狭义相对论的理论推论出来的，并没有使用到任何量子力学理论 。 很多基本粒子会自发衰变成质量更轻的粒子，缈子就是一个很好的例子。平均寿命为2.2 × 10秒的缈子会衰变成一个电子、一个微中子和一个反微中子。从现有理论论证，电子是很稳定的：电子是质量最轻的带电粒子，它的衰变会违反电荷守恒定律。电子平均寿命的实验最低限是4.6 × 10年，信赖区间是90%。 量子性质 在双缝实验里，通过两条狭缝，抵达侦测屏障的电子，一颗颗地累积，显示出干涉图样。 如同所有其它粒子，电子具有粒子性和波动性。这性质称为波粒二象性。在双缝实验里，电子的波动性质，使得通过两条狭缝的电子波互相干涉，造成了显示于侦测屏障的明亮条纹和黑暗条纹，这就是如左图所示双缝实验特征的干涉图样。使用更高端的实验设备，可以观测到，电子总是以一颗颗粒子的方式抵达侦测屏障。电子的波动行为可以用复值的含时波函数来描述。波函数在某位置与时间的值，称为量子幅。电子在时间处于位置的机率密度是量子幅绝对值的平方。 在无限深方形阱里，两个全同费米子的反对称性波函数绘图。 给定两个粒子的波函数分别为、。假若这两个粒子可以被区分，那应该可以确定哪个波函数描述的是第一个粒子，哪个波函数描述的是第二个粒子。假若描述的是第一个粒子，描述的是第二个粒子，则这两个粒子的总波函数可以表示为、的简单乘积： 。 否则，假若描述的是第一个粒子，描述的是第二个粒子，这两个粒子的总波函数可以表示为 。 现在假设这两个粒子是全同粒子，不可以区分到底哪个粒子是第一个粒子，哪个粒子是第二个粒子。这意味着波函数可能描述的是第一个粒子，也有可能描述的第二个粒子。同样地波函数可能描述的是第一个粒子，也有可能描述的第二个粒子。这两个粒子量子行为的机率对于粒子交换应该具有不变性： 。 只有两种总波函数的形式可以获得这结果方法。一种是对称性总波函数： ； 其中，是归一化常数，与、有关。 另一种是反对称性总波函数： 。 从反对称性总波函数的形式可以推论，假设两个全同粒子的波函数对于粒子交换具有反对称性，并且它们占有同一量子态，即它们的波函数相同， ， 则总波函数等于零： 。 费米子的自旋为半整数，总波函数对于粒子交换具有反对称性。因此，泡利不兼容原理表明，两个费米子在同一个系统中永远无法占据同一量子态。并没有涉及到任何位势，并没有任何作用力施加于它们本体，这纯粹是从无法区分全同粒子而产生的一种量子性质，在经典物理学里，找不到类似性质。 电子是全同费米子。没有任何方法能够分辨出一个电子与另一个电子有甚么不同；没有任何方法能够区分出，在一群电子之中，哪一个电子是哪一个电子。遵循泡利不兼容原理，任意两个电子都不能占有同样的量子态。这原理解释了许多有关电子在原子内的性质。例如，在原子内，一个原子轨域里，最多只能有两个束缚电子，为了符合反对称性，一个电子的自旋往上，另一个电子的自旋往下；而不是所有的束缚电子都占有同样一个最低能级的轨域。 虚粒子 物理学家认为，空间会继续不停地创生一对一对的虚粒子，像正子-电子虚偶，而在生存短暂的一段时间后，这些成对的虚粒子会互相摧毁对方。在这过程里，创生虚粒子所需要的能量涨落，虚粒子能够被侦测所需要的存在时间，都综合地表达于海森堡不确定原理所设置的侦测底限，；其中，是约化普朗克常数。实际而言，创生这些虚粒子所需要的能量，可以从真空暂时借用一段时间，只要它们的乘积小于约化普朗克常数就行。这样，理论上不会被仪器侦测出来，也不会违反海森堡不确定原理。根据这推理，对于虚电子，最多是1.3 × 10秒。 略图显示电子-正子虚偶的随机性地出现于一个电子（左下方）的附近。 如左图所示，电子-正子虚偶会随机性地出现于一个电子（图内左下方）的附近。当电子-正子虚偶尚然存在的时候，新创生的正子，会感受到原本电子施加的吸引性库仑力；而新电子则会感受到排斥性库仑力。这现象称为真空极化。真空变得好像一个具有电容率的电介质。因此，电子的有效电荷量变得小于真实值量，而且随着离原本电子距离的增加而递减。通过1997年用日本崔斯坦粒子加速器所做的实验，真空极化理论得到了强有力的证实。对于电子的质量，虚粒子也会造成屏蔽效应。 虚粒子交互作用能够解释，在电子的内在磁矩与波耳磁元之间，微小的偏差（大约是磁矩的0.1%），称为异常磁矩。这理论结果超特准确地与实验测定的数值相符合。无可否认地，在这里，量子电动力学交出了一份漂亮的成绩单。 在经典物理里，一个物体的角动量和磁矩跟其物理尺寸有关。因此，无尺寸电子拥有这些性质的概念实在令人百思。一个可能合理的解释为，在电子本身所产生的电场，能够创生虚光子。这些虚光子促使电子快速地震颤，称为颤动，因而造成电子的进动。经过过滤掉涨落后，净运动是圆周运动。这奇特的运动造成了电子的自旋和磁矩。在原子里，做谱线实验观察到的兰姆位移，可以用虚光子创生的理论来解释。 相互作用 以速度移动于磁场（磁场的方向是从银幕向眼睛指出来）、带有不同电量的粒子，会感受到劳仑兹力的作用，因而呈现的可能运动轨道。 电子所产生的电场，除了会施加吸引力于像质子一类的带正电粒子，还会施加排斥力于带负电粒子。这些作用力遵守库仑定律。根据经典电动力学，一个任意移动的带电粒子，必须经过一段传播时间，才能够将其影响传播到场位置，在场位置产生对应的推迟势，称为黎纳-维谢势。这一段时间的长短跟带电粒子位置、场位置之间的距离有关。任意移动的带电粒子所产生的电场和磁场，可以从黎纳-维谢势求得，也可以用杰斐缅柯方程序直接计算出来。应用狭义相对论，也可以推导出同样的结果。一群电子在空间中的移动会形成电流。安培定律专门描述电流与其产生的磁场之间的关系。 移动于磁场的电子，会感受到劳仑兹力的作用。这劳仑兹力垂直于磁场与电子速度两个矢量所决定的平面，是向心力，促使电子按照螺旋轨道移动于磁场。螺旋轨道的半径称为回转半径。由于螺旋运动涉及加速度，电子会发射电磁辐射。对于这过程，非相对论性电子发射的电磁辐射称为回旋辐射；而相对论性电子发射的则称为同步辐射。发射电磁辐射的同时，电子也会感受到一种反冲力，称为阿布拉罕-劳仑兹-狄拉克力，使得电子的移动速度减缓。阿布拉罕-劳仑兹-狄拉克力，是由电子自身产生的电磁场，施加于自己本身的作用力。 费曼图表示电子感受到由光子传递的电磁交互作用。 在量子电动力学里，粒子与粒子之间传递电磁交互作用的玻色子是光子。一个不呈加速度运动的孤独电子，是无法发射或吸收真实光子的。因为，这样做会违背能量守恒定律和动量守恒定律。然而，虚光子不须遵守这禁忌。虚光子可以担当传输动量于两个带电粒子之间的责任。例如，两个带电粒子互相交换虚光子这动作，形成了库仑力。假设，一个移动中的电子，感受到一个带电粒子（像质子）所产生的电场的库仑力，而产生偏转，则电子会因为加速度运动而发射电磁辐射，这称为轫致辐射 。 一个电子移动于原子核所产生的电场，会被电场的库仑力偏转，因而发射轫致辐射。电子的能量的改变，决定了发射光子的频率。 康普顿散射是光子与自由电子之间的弹性碰撞。这种碰撞涉及动量和能量的传输于两个粒子之间，会改变光子的波长。改变的波长差值称为康普顿位移。这差值的最大值，称为康普顿波长，以方程序表达为；其中，是普朗克常数，是电子质量，是光速。电子的康普顿波长为2.43 × 10 m。对于长波长的光波（例如，可见光的波长域为0.4–0.7 μm），康普顿波长会显得相当微小，称这种散射为汤姆森散射。 当电子与正子相互碰撞时，它们会互相湮灭对方，同时创生两个以上，偶数的伽马射线光子，以180°相对角度发射出去。假若，可以忽略电子和正子的动量，则这碰撞可能会先形成正子电子偶原子，然后再湮灭成为两个0.511 MeV伽马射线光子。 逆反过来，高能量光子可以转变为一个电子和一个正子，这进程称为成对产生。但是，由于违背了动量守恒定律，单独光子不可能会发生成对产生。在带电粒子附近，能量大于1.022 MeV的光子，由于库仑作用，有可能发生成对产生。 费曼图表示电子感受到由W玻色子或Z玻色子传递的弱交互作用。 轻子的量子态是由遵守狄拉克方程序的狄拉克旋量来表达。狄拉克旋量有四个复值分量，可以用投影算符按照手征性分为左手部分与右手部分。根据弱交互作用理论，电子狄拉克旋量的左手部分会与电微中子狄拉克旋量形成弱同位旋二重态。对于弱交互作用，电微中子的物理行为有点类似电子。二重态的任何一个成员，都可以发射或吸收一个W玻色子，从而转变为另为一个成员。这过程称为电性流交互作用。W玻色子带有一个单位电荷，这抵消了在迁变时，任何净电量变化，这过程遵守电荷守恒定律。放射性原子的贝他衰变现象所涉及的就是电性流交互作用。电子和电微中子可以互相交换Z玻色子，这过程称为中性流交互作用，微中子-电子弹性散射所涉及的就是中性流交互作用。 原子和分子 原子内部有一个原子核与一群被原子核束缚的电子。由于库仑力的作用，原子内的电子被原子核吸引与束缚。假若，束缚电子的数目不等于原子核的质子数目，则称此原子为离子。在原子内，原子轨域描述束缚电子的物理行为。每一个原子轨域都有自己独特的一组离散的量子数，像主量子数、角量子数和磁量子数。对于原子轨域，主量子数设置能级，角量子数给出轨角动量，而磁量子数则是轨角动量对于某特定轴的（量子化的）投影。根据泡利不兼容原理，每一个原子轨域只能被两个电子占据，而这两个电子必须有反对称的的自旋波函数，一个自旋向上，另一个自旋向下。 电子的机率密度绘图。横排显示不同的角量子数 ,竖排显示不同的能级。 处于一个轨域的电子，经过发射或吸收光子的过程，可以跃迁至另外一个轨域。发射或吸收的光子的所涉及的能量必须等于轨域能级的差值。除了这种方法以外，电子也可以借着与它粒子的碰撞，或靠着俄歇效应，跃迁至别的轨域。假若，给予束缚电子的能量大于其束缚能，则这束缚电子可以逃离原子，成为自由电子。例如，在光电效应里，一个能量大于原子电离能的入射光子，被电子吸收，使得电子有足够的能量逃离原子。 电子的轨角动量是量子化的。由于电子带有电荷，其轨磁矩与轨角动量成正比。原子的净磁矩是原子核与每一个电子的轨磁矩和自旋磁矩的总矢量和（欲知道更详细的数据，请参阅自旋-轨道作用）。但是，与电子的磁矩相比，核磁矩显得超小，可以忽略。处于同样轨域的两个偶电子会互相抵销对方的自旋磁矩。 原子与原子之间的化学键是因为电磁作用而形成的，这物理行为可以用量子力学理论来描述。几种常见的化学键为离子键、共价键和金属键。在离子化合物里，正离子和负离子会通过静电作用形成离子键。在共价化合物里，原子与原子之间通过共用电子形成共价键。在金属里，自由电子与排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力形成金属键。分子是由多个原子在共价键中透过共用电子连接一起而形成。在分子内部，电子的运动会同时感受到几个原子核的影响。电子占有分子轨域，就好像在孤独原子内部占有原子轨域一样。在分子结构里，一个很重要的因素是电子偶的存在。电子偶是两个自旋相反的电子组成；遵守泡利不兼容原理，这两个电子共处于同一个分子轨域，就好像处于同一个原子轨域一样。不同的分子轨域有不同的电子机率密度分布。例如，共价键电子偶（实际连接原子在一起的共价键的电子偶）的电子，最常处于原子之间比较小的空间。反过来说，非共价键电子偶的电子会分布于环绕着原子核的比较大的空间。 电传导和热传导 闪电机制涉及电子或离子从云层向地面流动或从地面向云层流动。 假若，一个物体所拥有的电子数量与质子数量不相等，则此物体带有净电荷。当电子数量比较多的时候，称此物体带有负电；而当电子数量比较少的时候，称此物体带有正电；又当电子数量与质子数量相等时，称此物体为电中性。一个巨观物体可以通过摩擦而带有净电荷，称此效应为摩擦起电效应。 移动于真空的独立电子称为自由电子。自由电子不束缚于原子内。在金属内的电子的物理行为好似自由电子。实际而言，这些在金属内的电子是准电子。更仔细而言，它们是准粒子，所拥有的电荷量、自旋、磁矩，与真实电子的等值；但是有效质量不等值。当自由电子移动于金属或真空时，它们会造成电荷的净流动，称为电流。载流导线是载有电流的导线。环绕着载流导线的四周，会生成磁场；而随着时间而改变的磁场，称为含时磁场，又会生成电流。这些电磁现象的物理行为，可以用马克士威方程组来描述。 电导率是表示物质传输电流的能力的一种测量值。当施加电压于导体的两端时，电子会从低电势处朝着高电势处移动，因而产生电流。依照惯例，对于导体，电流的方向与电子移动的方向恰巧相反。铜和金都是优良导体；而玻璃和橡胶则都是不良导体。在电介质里，电子束缚于各自所属的原子内，电介质的性质就好像绝缘质一样。金属物质拥有电子能带结构，其电子能带还没有完全被电子填满。这些尚未填满的电子能带，容许金属内一些电子的举止，好似自由电子或离域电子一般，与任何一个原子都没有链接。当施加电场于金属时，这些电子可以自由的移动于金属，就像气体移动于其容器内一般，称这些电子为费米气体。 在导体里，由于电子与原子之间的碰撞，电子的漂移速度大约为每秒几公分。但是，在导体内部某位置电子密度的变化，传达到其它位置的速度，称为传播速度，通常大约是光速的75%。这是因为电子信号的传播类似光波，传播速度与物质的相对电容率有关。 金属的热传导性良好。主要原因是离域电子可以在原子与原子之间自由的传输热能。但是，与电导率不同的是，热导率几乎与温度无关。维德曼-夫兰兹定律清楚的阐明这关系：热导率与电导率的比率跟温度成正比。金属晶格因热能而产生的无序现象，使得物质的电阻率增加，从而造成电导率与温度有关。 当降低温度至低于临界温度时，物质会发生相变，从一种相态忽然变成另一种相态。假若在这同时，出现电阻变为零的现象，电流可以毫无损耗的流动于物质，则称此现象为超导现象。BCS理论是解释这超导现象的量子理论。BCS理论认为，这量子行为可以用库珀对模型来解释。库珀对是处于玻色-爱因斯坦凝聚量子态的成对的电子；它们的运动，通过晶格的振动（称为声子），与邻近原子耦合，因此避免了与原子碰撞的机会。这样，就不会有电阻出现了。高温超导现象的运作机制与基础理论仍旧不清楚。 在固态导体内，电子是准粒子。当将温度严格地控制于接近绝对零度时，电子的物理行为变得好像分裂为另外两个准粒子，旋子和洞子。旋子拥有自旋和磁矩；而洞子则带有电荷。 相对论性电子的性质 根据爱因斯坦的狭义相对论，相对于观测者的参考系，电子的移动速度越快，电子的相对论性质量（总能量）也越大，因而使得电子继续加速所需要的能量越来越大，在接近光速时，趋向于无穷大。因此电子的移动速度可以接近光波在真空的传播速度，但绝不会达到。 光波传播于像水一类的电介质的速度，会明显地小于。假设，将相对论性电子（电子的速度接近）入射于这一类的电介质，则相对论性电子在此电介质内的移动速度，会暂时地大于光波传播于此电介质的速度。当相对论性电子移动于此类电介质内部时，由于与电介质相互作用，会产生一种很微弱的辐射，称为契忍可夫辐射。 劳仑兹因子与速度的关系线图。当速度超小于时，劳仑兹因子大约为1，当速度趋向时，劳仑兹因子趋向无限大。 狭义相对论的效应要视劳仑兹因子的大小而决定。劳仑兹因子以方程序定义为 ； 其中，是粒子的速度。 一个电子的动能是 ； 其中，是电子的静质量。 例如，史丹福直线加速器可以将电子加速到大约51 GeV。由于电子的静质量大约为0.51 MeV，对应的值接近100,000。给予同样的速度，这电子的相对论性动量是经典力学预测的动量的100,000倍。 电子也拥有波动行为，其德布罗意波长以方程序表达为；其中，是普朗克常数，是动量。对于前述的51 GeV电子，大约为2.4 × 10，这波长的尺寸相当微小，所以，实验者可以用电子来精密地探测原子核的内部结构。

电子天文学理论

高能量光子能够与原子核的库仑场相互作用，从而创生电子和正子。这过程称为电子正子成对产生。 在众多解释宇宙早期演化的理论中，大爆炸理论是比较能够被物理学界广泛接受的科学理论。在大爆炸的最初几秒钟时间，温度远远高过100亿K。那时，光子的平均能量超过1.022 MeV很多，有足够的能量来创生电子和正子对。这过程称为电子正子成对产生，以公式表达为 ； 其中，是光子，是正子，是电子。 同时，电子和正子对也在大规模地相互湮灭对方，并且发射高能量光子。在这短暂的宇宙演化阶段，电子，正子和光子努力地维持着微妙的平衡。但是，因为宇宙正在快速地膨胀中，温度持续转凉，在10秒钟时候，温度已降到30亿K，低于电子-正子创生过程的温度底限100亿K。因此，光子不再具有足够的能量来创生电子和正子对，大规模的电子-正子创生事件不再发生。可是，电子和正子还是继续不段地相互湮灭对方，发射高能量光子。由于某些尚未确定的因素，在轻子创生过程中，创生的电子多于正子。否则，假若电子数量与正子数量相等，现在就没有电子了！大约每10亿个电子中，会有一个电子经历了湮灭过程而存留下来。不只这样，由于一种称为重子不对称性的状况，质子的数目也多过反质子。很巧地，电子存留的数目跟质子多过反质子的数目正好相等。因此，宇宙净电荷量为零，呈电中性。 假若温度高于10亿K，任何质子和中子结合而形成的重氢，会立刻被高能量光子光解。在大爆炸后100秒钟，温度已经低于10亿K，质子和中子结合而成的重氢，不再会被高能量光子光解，存留的质子和中子开始互相参予反应，形成各种氢的同位素和氦的同位素，和微量的锂和铍。这过程称为太初核合成。在大约1000秒钟时，温度降到低于4亿K。核子与核子之间，不再能靠着高速度随机碰撞的机制，克服库仑障壁，互相接近，产生核融合。因此，太初核合成过程无法进行，太初核合成阶段大致结束。任何剩余的中子，会因为半衰期大约为614秒的负贝他衰变，转变为质子，同时发布一个电子和一个反电微中子： ； 其中，代表中子，代表质子，代表反电微中子。 在以后的377,000年期间，电子的能量仍旧太高，无法与原子核结合。在这时期之后，随着宇宙逐渐地降温，原子核开始束缚电子，形成中性的原子。这过程称为复合。在这相当快的复合过程时期之后，大多数的原子都成为中性，光子不再会很容易地与物质相互作用。光子也可以自由地移动于透明的宇宙。 大爆炸的一百万年之后，第一代恒星开始形成。在恒星内部，恒星核合成过程的各种核融合，会造成正子的创生（参阅质子-质子链反应和碳氮氧循环）。这些正子立刻会与电子互相湮灭，同时释放伽玛射线。结果是电子数目稳定地递减，跟中子数目对应地增加。恒星演化过程会合成各种各样的放射性同位素。有些同位素随后会经历负贝他衰变，同时发射出一个电子和一个反电微中子结果是电子数目增加，跟中子数目对应地减少。例如，钴-60（Co）同位素会因衰变而形成镍-60。 质量超过20太阳质量的恒星，在它生命的终点，会经历到引力坍缩，因而变成一个黑洞。按照相对论理论，黑洞所具有的超强引力，足可阻止任何物体逃离，甚至电磁辐射也无法逃离。但是，物理学家认为，量子力学效应可能会允许电子和正子创生于黑洞的事件视界，因而使得黑洞发射出霍金辐射，。 当一对虚粒子，像正子-电子虚偶，创生于事件视界或其邻近区域时，这些虚粒子的随机空间分布，可能会使得其中一个虚粒子，出现于事件视界的外部。这过程称为量子穿隧效应。黑洞的引力势会供给能量，使得这虚粒子转变为真实粒子，辐射逃离黑洞。这辐射进程称为霍金辐射。在另一方面，这进程的代价是，虚偶的另一位成员得到了负能量。这会使得黑洞净损失一些质能。霍金辐射的发射率与黑洞质量成反比；质量越小，发射率越大。这样，黑洞会越来越快地蒸发。在最后的0.1秒，超大的发射率可以模拟于一个大爆炸。 高能量宇宙线入射于地球大气层，造成了一阵持久的空中射丛。 宇宙线是遨游于太空的高能量粒子。物理学者曾经测量到能量高达3.0 × 10 eV的粒子。当这些粒子进入地球的大气层，与大气层的核子发生碰撞时，会创生一射丛的粒子，包括π介子。缈子是一种轻子，是由π介子在高层大气衰变而产生的。在地球表面观测到的宇宙线，超过半数是缈子。半衰期为2.2微秒的缈子会因衰变而产生一个电子或正子。正确的π介子反应式为 ， ； 其中，是缈子，是缈微中子，是反缈微中子，是反电微中子。

观测

电浆灯内部的电子与离子重结合以后，从激发态跃迁至较低能级的量子态，同时释放出电磁辐射。由于电磁辐射的频率与电浆材料的性质有关，因而会显示出各种不同的颜色。 靠着侦测电子的辐射能量，天文学家可以远距离地观测到电子的各种现象。例如，在像恒星日冕一类的高能量环境里，自由电子会形成一种借着制动辐射来辐射能量的电浆。电子气体的电浆振荡是一种波动，是由电子密度的快速震荡所产生的波动。这种波动会造成能量的发射。天文学家可以使用无线电望远镜来侦测这能量。 根据普朗克关系式，光子的频率与能量成正比。当一个束缚电子跃迁于原子的不同能级的轨域之间时，束缚电子会吸收或发射具有特定频率的光子。例如，当照射宽带光谱的光源所产生的光波于原子时，特征吸收光谱会出现于透射辐射的光谱。每一种元素或分子会显示出一组特征吸收光谱，像氢光谱。光谱学专门研究光谱线的强度和宽度。细心分析这些数据，即可得知物质的组成元素和物理性质。 在实验室操控条件下，电子与其它粒子的交互作用，可以用粒子侦测器来仔细观察。电子的特征性质，像质量、自旋和电荷等等，都可以加以测量检验。四极离子阱和潘宁阱可以长时间地将带电粒子限制于一个很小的区域。这样，科学家可以准确地测量带电粒子的性质。例如，在一次实验中，一个电子被限制于潘宁阱的时间长达10个月之久。1980年，由于各种先端科技的成功发展，电子磁矩的实验值已经达到11个位数的精确度。在那时候，是所有由实验得到的物理常数中，精确度最高的物理常数。 2008年2月，隆德大学的一组物理团队首先拍摄到电子能量分布的视频影像。科学家使用非常短暂的闪光，称为阿托秒脉冲，率先捕捉到电子的实际运动状况。 在固态物质内，电子的分布可以用角分辨光电子能谱学来显像。应用光电效应理论，这科技照射高能量辐射于样品，然后测量光电发射的电子动能分布和方向分布等等数据。仔细地分析这些数据，即可推论固态物质的电子结构。

应用领域

电子束 在一次美国太空总署的风洞试验中，电子束射向航天飞机的迷你模型，仿真返回大气层时，航天飞机四周的游离气体。 电子束焊接是应用于焊接领域的电子束科技。这焊接技术能够将高达10瓦特／公分能量密度的热能，聚焦于直径为0.3–1.3公厘的微小区域。使用这技术，技工可以焊接更深厚的对象，限制大部分热能于狭窄的区域，而不会改变附近物质的材质。为了避免物质被氧化的可能性，电子束焊接必须在真空内进行。不适合使用普通方法焊接的传导性物质，可以考虑使用电子束焊接。在核子工程和航天工程里，有些高价值焊接工件不能接受任何瑕疵。这时候，工程师时常会选择使用电子束焊接来达成任务。 电子束平版印刷术是一种分辨率小于1公厘的蚀刻半导体的方法。这种技术的缺点是成本高昂、进程缓慢、必须操作于真空内、还有，电子束在固体内很快就会散开，很难维持聚焦。最后这缺点限制住分辨率不能小于10奈米。因此，电子束平版印刷术主要是用来制造少数量特别的集成电路。 电子束照射技术使用电子束来照射物质。为了要改变物质的物理性质或灭除医疗物品和食品所含有的微生物，可以考虑使用电子束照射技术。做为放射线疗法的一种，直线型加速器制备的电子束可以用来照射浅表性肿瘤。由于在被吸收之前，电子束只会穿透有限的深度（能量为5–20 MeV的电子束通常可以穿透5公分的生物体），电子束疗法可以用来医疗像基底细胞癌一类的皮肤病。电子束疗法也可以辅助治疗已被X-射线照射过的区域。 粒子加速器使用电场来增加电子或正子的能量，使这些粒子拥有高能量。当这些粒子通过磁场时，它们会放射同步辐射。由于辐射的强度与自旋有关，因而造成了电子束的偏振。这过程称为索克洛夫-特**效应。很多实验都需要使用偏振的电子束为粒子源。同步辐射也可以用来降低电子束温度，减少粒子的动量偏差。一当粒子达到要求的能量，使电子束和正子束发生互相碰撞与湮灭，这会引起能量的发射。侦测这些能量的分布，仔细研究分析实验数据，物理学家可以了解电子与正子碰撞与湮灭的物理行为。 成像 低能电子绕射技术（LEED）照射准直电子束（collimated electron beam）于晶体物质，然后根据观测到的绕射图样，来推断物质结构。这技术所使用的电子能量通常在20–200 eV之间。反射高能电子绕射（RHEED）技术以低角度照射准直电子束于晶体物质，然后搜集反射图样的数据，从而推断晶体表面的数据。这技术所使用的电子的能量在8–20 keV之间，入射角度为1–4°。 电子显微镜将聚焦的电子束入射于样本。由于电子束与样本的交互作用，电子的性质，像移动方向、相对相位和能量，都会有所改变。细心地分析这些实验搜集到的数据，即可得到分辨率为原子尺寸的影像。使用蓝色光，普通的光学显微镜的分辨率，因受到绕射限制，只能达到200奈米；相互比较，电子显微镜的分辨率，则是受到电子的德布罗意波长限制，对于能量为100 keV的电子，分辨率大约为0.0037奈米。像差修正穿透式电子显微镜能够将分辨率降到低于0.05奈米，能够清楚地观测到个别原子。这能力使得电子显微镜成为，在实验室里，高分辨率成像不可缺少的仪器。但是，电子显微镜的价钱昂贵，保养不易。在操作电子显微镜时，样品环境需要维持真空，科学家无法观测活生物。 电子显微镜主要分为两种类式：穿透式和扫描式。穿透式电子显微镜的操作原理类似高架式投影机，将电子束对准于样品切片发射，穿透过的电子再用透镜投影于底片或电荷耦合组件。扫描电子显微镜用聚焦的电子束扫瞄过样品，就好像在显示机内的光栅扫瞄。这两种电子显微镜的放大率可从100倍到1,000,000倍，甚至更高。应用量子穿隧效应，扫描隧道显微镜将电子从尖锐的金属针尖穿隧至样品表面。为了要维持稳定的电流，针尖会随着样品表面的高低而移动，这样，即可得到分辨率为原子尺寸的样本表面影像 自由电子雷射 自由电子雷射将相对论性电子束通过一对波荡器。每一个波荡器是由一排交替方向的磁场的磁偶极矩组成。由于这些磁场的作用，电子会发射同步辐射；而这辐射会相干地与电子交互作用。当频率匹配共振频率时，会引起辐射场的强烈放大。自由电子雷射能够发射相干的高辐射率的电磁辐射，而且频域相当宽广，从微波到软X-射线。不久的将来，这仪器可以应用于制造业、通信业和各种医疗用途，像软组织手术。 现阶段已运行的自由电子雷射有美国史丹福直线加速器中心的直线加速器相干光源（LCLS）、德国电子加速器的汉堡自由电子雷射（Free-electron LASer in Hamburg, FLASH）与正在建造的欧洲X射线自由电子雷射（E-XFEL）。建成之后，E-XFEL将会是世界上规模最大，能量最高的自由电子雷射设备。。 其它 阴极射线管的核心概念为，劳仑兹力定律的应用于电子束。阴极射线管广泛的使用于实验式仪器显示器，电脑显示器和电视。在光电倍增管内，每一个击中光阴极的光子会因为光电效应引起一堆电子被发射出来，造成可侦测的电流脉波。曾经在电子科技研发扮演重要的角色，真空管借着电子的流动来操纵电子信号；但是，这组件现在已被晶体管一类的固态电子组件取代了。

参阅

任意子

电子盐

电子泡沫

逐放电子

g因数

自旋电子学

塞曼效应

u

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d

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c

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s

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t

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b

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μ

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νe

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ντ

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H

γ

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W

Z

p

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n

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Δ

Λ

Σ

Ξ

Ω

π

K

ρ

D

J/ψ

Υ

B

原子核

原子

超原子

奇异原子 电子偶素 缈子偶素 真缈子偶素

电子偶素

缈子偶素

真缈子偶素

介子原子

超子原子

反氢

介子核

超核

重味超核

分子

离子

超胶子

重力微子

超轴子

超荷子

超胀子

超中性子

超希格斯粒子

超费米子

大质量弱相互作用粒子（WIMP）

惰性中微子

胀子

马约拉纳费米子

m

加速子

快子

A

G

X

Y

W'

Z'

鬼

五夸克态

双重子态

胶球

混杂态

四夸克态

介子分子

达维多夫孤子

量子滴

激子

空穴

磁振子

声子

磁单极子

电浆子

电磁极化子

极子

旋子 (准粒子)

粒子列表

奇异原子列表

准粒子列表