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Electron

  带有单位负电荷的一种基本粒子。属于轻子,参与弱相互作用电磁相互作用,是人们最早发现的基本粒子。所有原子都是由一个带正电荷的原子核和若干带负电荷的电子组成的。

目录

电子的发现

  “电子”这个名词,是1881年G.J.斯托尼提出来的。他依据法拉第电解定律,认为任何电荷都由基元电荷组成,并给电荷的这一最小单位取名为电子。

  英国物理学家J.J.汤姆孙阴极射线进行了深入研究,他观测了阴极射线在磁场和静电场作用下的偏转,测定了阴极射线中粒子的荷质比(电荷与质量之比)。1897年他作出结论:阴极射线是由比氢原子小得多的带负电的粒子所组成。由于一系列成功的实验,他被科学界公认是电子的发现者。电子的发现揭示了原子具有内部结构,打破了千百年来认为原子是组成物质的最小单元的学说。

电子电荷

  1909年前后,R.A.密立根和他的学生对单个电子的电荷进行了精密的测量,被称为密立根油滴实验。他们在两块平行的圆形黄铜板之间加一定电压,在两极之间引进一些细小油滴,用X 射线照射使油滴带上电荷,油滴受到电场及重力的作用而运动。用电弧的光照射油滴运动的区域,用目镜上带有叉丝的望远镜观察油滴的运动。因为油滴受到的电场力与油滴所带的电荷成正比,所以从测到的与油滴运动有关数据,能够计算出油滴所带电荷的大小。根据他们对油滴运动的数百次反复测量,都得到一个同样的结论,即油滴所带电荷总是一个最小的基元电荷的整数倍,这一基元电荷就是一个电子的电荷。准确测量电子的电荷e,还必须计及油滴在空气中运动时所受到的阻力,即要测量空气的粘滞性。

  后来又发展了测量电子电荷更精确的方法。利用 X射线衍射测量晶体中的原子间距,得出一立方厘米晶体里准确的原子数目(原子数密度),运用法拉第常数,就能得到e的准确值。现在国际通用的电子电荷值为

e=(1.6021892±0.0000046)×10-19C。

电子质量

  根据对电子电荷及荷质比的准确测量,容易得出电子质量的数值。电子的质量要比原子核的质量小很多,与质子相比,电子的质量约为质子质量的1/1836。电子的静止质量 me=(9.109534±0.000 047)×10-31kg。这里称me为电子的静止质量,是因为电子质量与它的运动速度有关。根据狭义相对论,容易求出以一定速度v运动的电子的质量m

200712031920270-01.gif

式中с为光速。

电子的自旋运动

  电子还具有自旋角动量和磁矩。1925年G.E.乌伦贝克和S.A.古兹密特受到W.泡利的启发,在分析原子光谱的一些实验结果的基础上,提出了电子自旋的假设。即电子具有200712031920270-02.gif的自旋角动量(其中h为普朗克常数,媡=h/2π常作为自旋和轨道角动量单位),也有与自旋角动量相联系的磁矩,其值为一个玻尔磁子(方向与电子自旋角动量方向相反) 。引入电子自旋和电子磁矩的假设,可以解释许多原子光谱数据及反常塞曼效应(见塞曼效应)。1928年P.A.M.狄喇克提出了电子的相对论波动方程,从理论上直接得出电子存在自旋运动和磁矩的结论。并且还预言了正电子的存在。正电子是电子的反粒子,它除了磁矩方向、电荷符号与电子相反外,其他性质均与电子完全相同。1932年C.D.安德森在研究宇宙线时,果然发现了正电子。电子具有半整数自旋值(单位为h/2π),故服从费密-狄喇克统计(见量子统计法)。

电子的波动性

  电子的运动具有波动性。按照L.V.德布罗意的物质波理论,电子的德布罗意波长为普朗克常数除以电子的动量。1927年在美国的C.J.戴维孙和L.H.革末及在英国的G.P.汤姆孙分别独立地进行了电子在晶体上衍射的实验。显示出电子在晶体上的衍射正如 X射线在晶体上的衍射现象一样,表明电子具有波动性。从电子衍射实验结果计算出电子的波长,与理论预言的结果准确一致。电子衍射技术已发展成为一种研究物质结构的工具。

电子的大小

  电子的“尺寸”是非常小的,一般情形下,都可以视作点电荷。经典电子半径re=e2/meс2=(2.8179380±0.0000070)×10-15m。

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