電子
 氫原子軌道在不同的能級。在任何給定時間，最有可能找到電子的地方越不透明。
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| 作品 | 基本粒子 |
|---|---|
| 統計數據 | 費米金 |
| 家庭 | Lepton |
| 一代 | 第一的 |
| 互動 | 弱，電磁，重力 |
| 象徵 | E，β |
| 反粒子 | 正面 |
| 理論化 | 理查德·拉明（Richard Laming）（1838–1851），g。約翰斯通·斯托尼（Johnstone Stoney）（1874年）等。 |
| 發現 | JJ Thomson （1897） |
| 大量的 | 9.1093837015（28）×10-31 kg5.485799909065（16）×10-4 da [1822.8888486209（53）] - 1 DA0.51099895000（15） |
| 平均壽命 | > 6.6 × 10 28年（穩定） |
| 電荷 | -1 E -1.602176634×10-19 C |
| 磁矩 | -9.2847647043（28）×10-24 j·T -1-1.00115965218128（18）µb |
| 旋轉 | 1 /2 ħ |
| 弱的同胞 | LH ： -1 / 2 ， RH ：0 |
| 弱充電 | LH ：-1， RH ：-2 |
電子（E或β）是一個亞原子粒子，具有負一個基本電荷。電子屬於Lepton粒子家族的第一代，通常被認為是基本粒子，因為它們沒有已知的成分或子結構。電子的質量約為質子的1/1836。電子的量子機械性能包括一個半耗時值的內在角動量（自旋），該值以降低的普朗克常數單位表示。作為費米，根據保利排除原則，沒有兩個電子可以佔據相同的量子狀態。像所有基本粒子一樣，電子都表現出顆粒和波的特性：它們可以與其他顆粒相撞，並且可以像光一樣衍射。通過實驗比中子和質子等其他顆粒的波性能更容易觀察到，因為電子具有較低的質量，因此對於給定能量，較長的de broglie波長。
電子在眾多物理現像中起著至關重要的作用，例如電力，磁性，化學和導熱性。他們還參與引力，電磁和弱相互作用。由於電子有充電，它具有周圍的電場。如果該電子相對於觀察者移動，則觀察者將觀察到它產生磁場。根據洛倫茲力量法，從其他來源產生的電磁場將影響電子的運動。當電子加速時，電子以光子的形式輻射或吸收能量。
實驗室儀器能夠通過使用電磁場來捕獲單個電子以及電子等離子體。特殊的望遠鏡可以檢測外太空中的電子等離子體。電子參與許多應用，例如摩擦學或摩擦充電，電解，電化學，電池技術，電子，焊接，陰極射線管，光電，光伏太陽能電池板，電子顯微鏡，輻射治療，輻射治療，激光，氣相離子化檢測器，和氣體離子化檢測器，以及氣體離子化檢測器，和氣體電離加速器。
涉及電子與其他亞原子顆粒的相互作用在化學和核物理等領域中引起了人們的關注。原子核內正質子與負電子之間的庫侖力相互作用無需兩個稱為原子的組成。電離或負電子與正核的比例差異改變了原子系統的結合能。兩個或多個原子之間電子的交換或共享是化學鍵合的主要原因。
1838年，英國自然哲學家理查德（Richard Laming）首先假設了不可分割的電荷來解釋原子的化學特性。愛爾蘭物理學家喬治·約翰斯通·斯托尼（George Johnstone Stoney）在1891年將這一指控命名為“電子”，而JJ Thomson和他的英國物理學家團隊在1897年在陰極射線管實驗中將其確定為粒子。
電子參與核反應，例如恆星中的核合成，它們被稱為β顆粒。電子可以通過放射性同位素的β衰減和高能碰撞創建，例如，當宇宙射線進入大氣時。電子的反粒子稱為正電子。它與電子相同，只是它帶有相反符號的電荷。當電子與正電子碰撞時，可以將兩個顆粒殲滅，從而產生伽馬射線光子。
歷史
發現電力的效果
古希臘人注意到，用皮毛擦拭時，琥珀吸引了小物體。隨著閃電，這種現像是人類最早記錄的電力經歷之一。英國科學家威廉·吉爾伯特（William Gilbert）在他的1600年論文《德·馬格特》（ De Magnete）中創造了新拉丁語術語，以指的是那些具有類似於琥珀色的物質的物質，這些物質在被摩擦後吸引了小物體。電力和電力均來自拉丁語（也是同名合金的根源），它來自琥珀色的希臘語， ἤλεκτρον （ ēlektron ）。
發現兩種費用
在1700年代初，法國化學家查爾斯·弗朗索瓦（CharlesFrançoisduFay）發現，如果被帶電的金葉被玻璃擦拭，然後用絲綢擦拭，那麼同樣的充電的金葉就被琥珀色摩擦的羊毛所吸引。從類似類型的實驗的結果和其他結果中，Du Fay得出結論，電力由兩種電流體組成，來自用絲綢摩擦的玻璃杯中的玻璃體液和琥珀色用羊毛摩擦的樹脂液組成。這兩種流體在組合時可以互相中和。美國科學家埃比尼澤·金納利（Ebenezer Kinnersley）後來也獨立得出了同樣的結論。十年後，本傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin）提出，電力不是來自不同類型的電流體，而是一種表現出過量（+）或缺陷（ - ）的單一電液。他分別給了他們積極和消極的現代指控命名法。富蘭克林認為電荷載體是積極的，但他沒有正確地確定哪種情況是荷裡載體的盈餘，哪種情況是赤字。
在1838年至1851年之間，英國自然哲學家理查德·拉明（Richard Laming）提出了這樣一種觀念，即原子是由具有單位電荷的亞原子顆粒所包圍的物質組成的。從1846年開始，德國物理學家威廉·愛德華·韋伯（Wilhelm Eduard Weber）理論上，電力是由積極和負電荷的液體組成的，它們的相互作用受平方法逆法律管轄。在研究了1874年的電解現象之後，愛爾蘭物理學家喬治·約翰斯通·斯托尼（George Johnstone Stoney）提出，存在“單一確定的電力”，這是單價離子的負荷。他能夠通過法拉第電解定律估算該基本電荷E的價值。但是，斯托尼認為這些指控是永久附著在原子上的，無法去除。 1881年，德國物理學家赫爾曼·馮·赫爾姆霍爾茨（Hermann von Helmholtz）認為，正電荷和負電荷都被分為基本部分，每個部分都“像電的原子”。
Stoney最初在1881年創造了Electrolion一詞。十年後，他改用電子來描述這些基本指控，並於1894年寫道：“ ...估算了這種最顯著的基本電力單位的實際數量，為此從那以後，我冒險建議electron這個名字。 1906年，更改為電子的提議失敗了，因為Hendrik Lorentz更喜歡保留電子。電子單詞是電子和我一詞的組合。後綴 -現在用於指定其他亞原子顆粒（例如質子或中子），而這些顆粒又源自電子。
在物質外發現免費電子
在研究1859年稀有氣體中的電導率時，德國物理學家朱利葉斯·普呂克（JuliusPlücker）觀察到從陰極發出的輻射導致磷光燈出現在陰極附近的管壁上。磷光燈的區域可以通過應用磁場移動。 1869年，普呂克（Plücker）的學生約翰·威廉·希托夫（Johann Wilhelm Hittorf）發現，放置在陰極和磷光之間的固體會在管子的磷光區域呈現陰影。赫托夫推斷出陰極發出直射，磷光是由撞擊管壁引起的。 1876年，德國物理學家尤金·戈德斯坦（Eugen Goldstein）表明，射線垂直於陰極表面發射，該射線區分了從陰極發出的射線和白熾燈。戈德斯坦（Goldstein）被稱為射線陰極射線。在JJ Thomson最終發現電子的實驗和理論研究中，涉及陰極射線的實驗和理論研究很重要。
在1870年代，英國化學家和物理學家威廉·克魯克斯爵士（Sir William Crookes）開發了第一個陰極射線管，內部具有很高的真空吸塵器。然後，他在1874年表明，放置在路徑中時，陰極射線可以轉動小槳輪。因此，他得出的結論是，光線具有動力。此外，通過施加磁場，他能夠偏轉光線，從而證明了光束的表現，好像是帶負電的。在1879年，他提出這些特性可以通過關於陰極射線的解釋，該陰極射線是由帶負電荷的氣態分子組成的第四種狀態，在第四個狀態下，顆粒的平均自由路徑很長，以至於可以忽略碰撞。
這位德國出生的英國物理學家亞瑟·舒斯特（Arthur Schuster）通過將平行於陰極射線的金屬板放置並在板之間施加電勢，從而擴展了克魯克斯的實驗。該場將光線偏轉到帶正電荷的板上，提供了進一步的證據表明射線攜帶負電荷。通過測量給定的電場和磁場的撓度量，Schuster在1890年能夠估算射線成分的電荷與質量比。但是，這產生了一個比預期的超過一千倍的價值，因此當時他的計算幾乎沒有信任。這是因為假定電荷載體是較重的氫或氮原子。舒斯特的估計隨後將在很大程度上正確。
1892年，亨德里克·洛倫茲（Hendrik Lorentz ）建議這些顆粒的質量（電子）可能是它們電荷的結果。
法國物理學家亨利·貝克雷爾（Henri Becquerel）在研究1896年自然熒光礦物質時發現，它們發射了輻射，而不會暴露於外部能源。這些放射性材料成為科學家引起人們關注的主題，包括新西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford） ，他發現它們發出了顆粒。他根據其穿透物質的能力指定了這些粒子α和beta 。 1900年，貝克雷爾（Becquerel）表明，鐳發射的β射線可能會被電場偏轉，並且它們的質量與電荷比與陰極射線相同。該證據加強了電子作為原子組成部分存在的觀點。
1897年，英國物理學家JJ Thomson與他的同事John S. Townsend和Ha Wilson進行了實驗，表明陰極射線確實是獨特的顆粒，而不是波浪，原子或分子，如前所述。湯姆森（Thomson）對電荷E和質量M進行了很好的估計，發現他稱為“小體”的陰極射線顆粒可能具有最少巨大離子的質量中的一千分之一：已知的氫。他表明他們的電荷與質量比E / M獨立於陰極材料。他進一步表明，通過放射性材料，加熱材料和發光材料產生的負電荷顆粒是普遍的。科學界採用了這些粒子的電子名稱，這主要是由於GF Fitzgerald ， J。Larmor和Ha Lorentz的提倡。同年， Emil Wiechert和Walter Kaufmann還計算了E/M比率，但他們沒有解釋其結果，而JJ Thomson隨後將在1899年給出電子電荷和質量的估計：E〜 6.8 × 10 -10 ESU和M〜 3 × 10 -26 g
美國物理學家羅伯特·米利肯（Robert Millikan）和哈維·弗萊徹重力的結果。該設備可以測量少於1-150離子的電荷，誤差幅度小於0.3％。湯姆森（Thomson）的團隊較早地進行了可比的實驗，使用電解產生的充電水滴雲，並於1911年由艾布拉姆·伊奧夫（ Abram Ioffe）獨立地獲得了與Millikan相同的結果，並使用帶電的金屬微粒，然後於1913年發表了他的結果。油滴由於蒸發速度較慢而比水滴更穩定，因此更適合在更長的時間內進行精確的實驗。
在二十世紀初期，發現在某些條件下，快速移動的帶電粒子沿其路徑導致過飽和水蒸氣的凝結。 1911年，查爾斯·威爾遜（Charles Wilson）使用這一原理設計了他的雲室，以便他可以拍攝帶電顆粒的軌道，例如快速移動電子。
原子理論
到1914年，物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford） ，亨利·莫斯利（Henry Moseley ），詹姆斯·弗蘭克（ James Franck ）和古斯塔夫·赫茲（Gustav Hertz）進行了實驗，在很大程度上確定了原子的結構，成為一個由低質量電子圍繞的陽性密集核。 1913年，丹麥物理學家Niels Bohr推測，電子居住在量化的能量狀態下，其能量由電子軌道的角動量確定。電子可以通過特定頻率的光子的發射或吸收在這些狀態或軌道之間移動。通過這些量化的軌道，他準確地解釋了氫原子的光譜線。但是，Bohr的模型未能說明光譜線的相對強度，並且在解釋更複雜的原子的光譜方面沒有成功。
吉爾伯特·牛頓·劉易斯（Gilbert Newton Lewis）解釋了原子之間的化學鍵，他在1916年提出，兩個原子之間的共價鍵由它們之間共享的一對電子維持。後來，在1927年，沃爾特·海特勒（Walter Heitler）和弗里茨倫敦（Fritz London）在量子力學方面對電子對形成和化學鍵合提供了完整的解釋。 1919年，美國化學家歐文·蘭穆爾（Irving Langmuir）在劉易斯（Lewis）的原子靜態模型上進行了詳細說明，並建議所有電子均以連續的“同心（幾乎）球形殼相等的厚度”分佈。反過來，他將殼分為許多包含一對電子的細胞。使用該模型，Langmuir能夠定性地解釋元素週期表中所有元素的化學特性，這些化學特性在很大程度上根據週期定律重複了自己。
1924年，奧地利物理學家沃爾夫岡·保利（Wolfgang Pauli）觀察到，原子的殼狀結構可以用一組四個參數來解釋，這些參數定義了每個量子能狀態，只要每個量子均不超過一個電子。這種禁止佔據相同量子能狀態的多個電子的禁令被稱為Pauli排除原則。荷蘭物理學家Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck提供了解釋第四個參數的物理機制，該物理機制具有兩個不同的可能值。 1925年，他們建議除了其軌道的角動量外，還具有固有的角動量和磁偶極矩。這類似於地球在其軸上旋轉太陽時的旋轉。固有的角動量被稱為自旋，並解釋了先前具有高分辨率光譜儀觀察到的光譜線的神秘分裂。這種現象稱為細胞分裂。
量子力學
法國物理學家路易斯·德·布羅格利（ Louis de Broglie ）在他的1924年論文中（量子理論研究）中的論文中（量子理論研究）中，假設所有物質都可以以光的方式表示為de broglie浪潮。也就是說，在適當的條件下，電子和其他物質將顯示顆粒或波浪的特性。當粒子在任何給定時刻顯示其沿其軌跡中的空間中具有局部位置時，就會證明粒子的細球性質。例如，當光束通過平行縫隙從而產生干擾模式時，顯示了光的波性。 1927年，喬治·佩吉特·湯姆森（ George Paget Thomson）和亞歷山大·里德（ Alexander Reid 。湯姆森（Thomson）的研究生亞歷山大·里德（Alexander Reid）進行了第一個實驗，但他在一次摩托車事故中不久就去世了，很少提到。
de Broglie對電子的波性質的預測導致ErwinSchrödinger假定在原子中核的影響下移動的電子的波方程。 1926年，該方程式（Schrödinger方程）成功地描述了電子波如何傳播。該波方程也可以用於預測位置附近的電子，尤其是電子在太空中綁定的位置附近的位置，而不是產生確定電子位置的解決方案，還可以使用該波程。波動方程沒有隨時間變化。這種方法導致了量子力學的第二種制定（1925年的海森伯格），而施羅丁方程的溶液（如海森伯格）則提供了氫原子中電子能量狀態的衍生，這些能量狀態與衍生的氫原子相等首先由Bohr於1913年，眾所周知可以再現氫光譜。一旦描述了自旋和多個電子之間的相互作用，量子力學就可以預測原子數大於氫的原子中電子的構型。
1928年，在沃爾夫岡·保利（Wolfgang Pauli）的作品的基礎上，保羅·迪拉克（Paul Dirac）通過將相對論和對稱的考慮因素應用於漢密爾頓的電場量子力學的表述，從而與相對論理論相一致。為了解決他的相對論方程式中的一些問題，Dirac於1930年開發了一種真空的模型，作為無限能量的無限顆粒海，後來被稱為Dirac Sea 。這導致他預測了電子電子對應物的正電子產品的存在。該粒子是由卡爾·安德森（Carl Anderson）在1932年發現的，他提出了呼叫標準電子負面的，並使用電子作為通用術語來描述正面和負電荷的變體。
1947年，威利斯·蘭姆（Willis Lamb）與研究生羅伯特·雷瑟福（Robert Retherford）合作，發現某些氫原子的量子狀態應具有相同的能量，相互轉移。差異被稱為羔羊換檔。大約在同一時間，與亨利·弗利（Henry M.這種小差異後來稱為電子的異常磁偶極矩。後來，量子電動力學理論是由Sin-Itiro Tomonaga ， Julian Schwinger和Richard Feynman在1940年代後期開發的。
粒子加速器
隨著二十世紀上半葉粒子加速器的發展，物理學家開始更深入地研究亞原子顆粒的特性。唐納德·克斯特（Donald Kerst）於1942年進行了第一次成功使用電磁誘導加速電子的嘗試。他最初的Betatron達到了2.3 MEV的能量，隨後的Betatrons獲得了300 MEV。 1947年，在通用電氣的70 MeV電子同步加速器中發現了同步輻射。這種輻射是由於電子通過磁場的加速而引起的，因為它們在光速附近移動。
第一個高能粒子對撞機的樑能量為1.5 GEV，是Adone ，它於1968年開始運行。該設備在相反的方向上加速了電子和正電子，與用使用靜態目標相比，碰撞的能量有效地翻了一番。電子。從1989年到2000年運行的CERN的大型電子 - 峰值對撞機（LEP）實現了209 GEV的碰撞能，並對粒子物理的標準模型進行了重要的測量。
限制單個電子
現在，單個電子現在可以輕鬆地限制在超小（ L = 20 nm ， w = 20 nm ）的CMOS晶體管中，該晶體管在低溫溫度下在-269°C（4 K ）（4 K）上運行，至約-258°C（15 K ）。電子波函數在半導體晶格中擴散，並與價帶電子相互作用，因此可以通過用有效的質量張量代替質量來在單個粒子形式上進行處理。
特徵
分類
在粒子物理的標準模型中，電子屬於稱為瘦小的亞原子顆粒組，據稱是基本顆粒或基本顆粒。電子具有任何帶電的Lepton（或任何類型的電動粒子）的最低質量，並且屬於第一代基本顆粒。第二代和第三代包含帶電的亮子， MUON和TAU ，與電荷，自旋和相互作用相同，但更大。瘦素與物質的其他基本組成部分不同，夸克由於缺乏強烈的相互作用。 Lepton組的所有成員都是Fermions，因為它們都有半odd的整數旋轉。電子具有自旋1/2 。
基本屬性
電子的不變質量大約9.109 × 10 -31千克或5.489 × 10 -4原子質量單位。由於質量 - 能量等效性，這對應於0.511 MeV（8.19 × 10 -14 J）的休息能。質子的質量與電子的質量之間的比率約為1836年。天文測量表明，質子與電子質量比具有相同的值，如標準模型所預測的，至少是一半的年齡宇宙。
電子的電荷為-1.602176634×10-19庫羅姆斯，該電荷用作亞原子顆粒的標準電荷單位，也稱為基本電荷。在實驗精度的範圍內，電子電荷與質子的電荷相同，但具有相反的符號。電子通常由E象徵，正電子被E象徵。
電子具有固有的角動量或自旋為ħ / 2 。通常通過將電子稱為旋轉1/2粒子來表明該特性。對於這種顆粒，自旋幅度為ħ / 2 ，而在任何軸上自旋投影的測量結果只能為± ħ / 2 。除了自旋外，電子沿其自旋軸具有固有的磁矩。它大約等於一個Bohr Magneton ，它的物理常數等於9.274 009 15 （23 ） × 10 -24焦耳。自旋相對於電子動量的方向定義了被稱為螺旋度的基本顆粒的特性。
電子沒有已知的子結構。然而，在凝結物理學中，某些材料中可能會發生自旋 - 電荷分離。在這種情況下，電子“分裂”成三個獨立的顆粒，即旋子，軌道和霍隆（或chargon）。從理論上講，電子可以始終被視為三個的結合狀態，帶有旋轉電子的旋轉，帶有軌道自由度的軌道和帶有電荷的chargon的軌道，但在某些條件下，它們可以表現為獨立的quasiparticles 。
電子半徑的問題是現代理論物理學的一個挑戰性問題。對電子的有限半徑的假設接受了相對論的前提。另一方面，由於電子的自我能源傾向於無窮大，點狀電子（零半徑）會產生嚴重的數學困難。觀察一根電子陷阱中的單個電子表明粒子半徑的上限為10 -22米。可以使用能量中的不確定性關係來得出10 -18米的電子半徑的上限。還有一個稱為“經典電子半徑”的物理常數，其值的值更大的2.8179 × 10 -15 m ，大於質子的半徑。但是，術語來自一個簡單的計算，忽略了量子力學的影響。實際上，所謂的經典電子半徑與電子的真正基本結構無關。
有一些基本粒子自發地腐爛成較少的顆粒。一個例子是muon ，平均壽命為2.2 × 10 -6秒，它衰減到電子，muon中微子和電子抗神經抗體中。另一方面，電子在理論上被認為是穩定的：電子是具有非零電荷的質量最小的粒子，因此其衰減會違反電荷保護。電子平均壽命的實驗下限是6.6 × 10 28年，置信水平為90％。
量子特性
與所有顆粒一樣，電子可以充當波。這稱為波粒雙重性，可以使用雙縫實驗來證明。
電子的波動性質使其可以同時通過兩個平行縫，而不僅僅是一個縫隙，就像經典粒子一樣。在量子力學中，可以在數學上描述一個粒子的波狀特性，稱為複雜值函數，波函數，通常由希臘字母PSI （ ψ ）表示。當該函數的絕對值是平方時，它給出了將粒子在位置附近觀察到的概率密度的概率。
電子是相同的顆粒，因為它們不能通過其內在的物理特性彼此區分。在量子力學中，這意味著一對相互作用的電子必須能夠交換位置，而不會觀察到系統狀態。費米（包括電子）的波函數是反對稱的，這意味著當兩個電子交換時它會改變符號。也就是說， ψ （ r 1 ， r 2 ）= −ψ （ r 2 ， r 1 ） ，其中變量r 1和r 2分別對應於第一電子和第二個電子。由於符號交換不會更改絕對值，因此對應於同等的概率。玻色子（例如光子）具有對稱波函數。
在反對稱性的情況下，相互作用電子的波方程的解會導致每對占據相同位置或狀態的概率為零。這是Pauli排除原則的原因，該原則排除了任何兩個電子的佔據相同的量子狀態。該原理解釋了電子的許多特性。例如，它導致綁定的電子組佔據原子中的不同軌道，而不是在同一軌道上彼此重疊。
虛擬顆粒
在簡化的圖像中，通常會給出錯誤的想法，但可能會說明某些方面，每個光子都花了一些時間作為虛擬電子以及其反元素的組合，即虛擬正電子，此後不久將彼此迅速消滅。創建這些顆粒所需的能量變化的組合以及它們在此期間所需的時間落在Heisenberg不確定性關係表達的可檢測性閾值之下， δe · δt≥Tip 。實際上，創建這些虛擬顆粒所需的能量可以從真空中“借用”一段時間， δt ，因此它們的產物不超過降低的普朗克常數， ħ≈ 6.6 × 10 -16 ev·s 。因此，對於虛擬電子， δT最多是1.3 × 10 -21 s 。
雖然存在電子 - positron虛擬對，但來自電子周圍環境電場的庫侖力會導致創建的正電子被吸引到原始電子中，而創造的電子經歷了排斥。這導致所謂的真空極化。實際上，真空的行為就像具有介電介電常數的介質比統一更重要。因此，電子的有效電荷實際上小於其真實值，並且電荷隨著距離電子距離的增加而降低。這種極化在1997年使用日本特里斯坦粒子加速器實驗證實。虛擬顆粒對電子的質量產生可比的屏蔽效果。
與虛擬顆粒的相互作用還解釋了電子的固有磁矩與Bohr Magneton（異常磁矩）的小（約0.1％）。該預測差異與實驗確定的值的非常精確的一致性被視為量子電動力學的巨大成就之一。
具有內在角動量和磁矩的點粒子電子的經典物理中的明顯悖論可以通過電子產生的電場中的虛擬光子的形成來解釋。這些光子可以被認為是導致電子以抖動的方式轉移（稱為Zitterbewegung ），從而導致淨圓形運動和進動。該運動同時產生電子的自旋和磁矩。在原子中，這種虛擬光子的創建解釋了在光譜線中觀察到的羔羊移位。康普頓波長表明，諸如電子之類的基本顆粒，能量的不確定性允許在電子附近創建虛擬顆粒。該波長解釋了近距離基本粒子周圍虛擬顆粒的“靜態”。
相互作用
電子會產生一個電場，該電場在帶有正電荷（例如質子）的粒子上發揮著吸引力的力，以及對具有負電荷的粒子上的排斥力。這種力在非依賴主義近似中的強度由庫侖的反平方定律確定。當電子運動時，它會產生磁場。 Ampère -Maxwell定律將磁場與相對於觀察者的電子（電流）的質量運動（電流）聯繫起來。感應的這種特性提供了驅動電動機的磁場。任意移動帶電粒子的電磁場由Liénard -Wiechert電位表示，即使粒子的速度接近光（相對論），這些電勢即使是有效的。
當電子通過磁場移動時，它會受到洛倫茲力的作用，該力垂直於磁場和電子速度定義的平面。這種中心力使電子沿著螺旋軌跡穿過螺旋軌跡，該軌跡穿過田野，半徑稱為Gyroradius 。這種彎曲運動的加速度誘導電子以同步輻射的形式輻射能量。能量發射反過來引起電子的後坐力，即被稱為亞伯拉罕– Lorentz – dirac力，從而產生了減慢電子的摩擦。這種力是由電子自身田地本身的反應引起的。
光子介導量子電動力學中顆粒之間的電磁相互作用。恆定速度的孤立電子不能散發或吸收真實的光子。這樣做會違反能量和動力的保護。取而代之的是，虛擬光子可以在兩個帶電粒子之間傳遞動量。例如，這種虛擬光子的交換產生了庫侖力。當移動電子被帶電粒子（例如質子）偏轉時，可能會發生能量發射。電子的減速導致Bremsstrahlung輻射的發射。
光子（光）和孤立（自由）電子之間的無彈性碰撞稱為康普頓散射。這種碰撞導致顆粒之間的動量和能量傳遞，這將光子的波長通過稱為康普頓偏移的量修飾。該波長偏移的最大幅度為H / M E C ，稱為康普頓波長。對於電子，它具有2.43 × 10 -12 m 。當光的波長長（例如，可見光的波長為0.4-0.7μm）時，波長偏移就可以忽略不計。光和游離電子之間的這種相互作用稱為湯姆森散射或線性湯姆森散射。
兩個帶電顆粒（例如電子和質子）之間電磁相互作用的相對強度由細胞結構常數給出。該值是由兩個能量的比例形成的無量綱數量：在一個康普頓波長的分離和電荷的其餘能量下，吸引力的靜電能（或排斥）。它由α≈給出7.297 353 × 10 -3 ，大約等於1 / 137 。
當電子和正面碰撞時，它們相互殲滅，產生兩個或多個伽馬射線光子。如果電子和正電子具有可忽略的動量，則在殲滅會導致兩到三個伽馬射線的光子總計1.022 MeV之前形成正電子原子。另一方面，高能量光子可以通過稱為對產生的過程轉換為電子和正電子，但僅在附近帶電粒子（例如核）的情況下。
在電動相互作用的理論中，電子波函數的左手組成部分與電子中微子形成了弱的同胞雙打。這意味著在弱相互作用中，電子中微子的行為像電子。該雙重組的成員都可以通過排放或吸收W並轉換為另一個成員來進行充電的電流交互。在此反應期間，電荷是保存的，因為W玻色子還帶有電荷，從而取消了在trans變的過程中任何淨變化。帶電的電流相互作用是放射性原子中β衰變現象的原因。電子和電子中微子都可以通過Z交換進行中性電流相互作用，這是中微子電子彈性散射的原因。
原子和分子
電子可以通過吸引人的庫侖力與原子的核結合。一個或多個與核的電子的系統稱為原子。如果電子的數量與核的電荷不同，則該原子稱為離子。綁定電子的波狀行為由稱為原子軌道的函數描述。每個軌道都有其自身的量子數，例如能量，角動量和角動量的投影，並且只有這些軌道的離散集存在。根據Pauli的排除原理，每個軌道最多可以佔據兩個電子，它們的自旋量子數必須有所不同。
電子可以通過與電勢差的能量的發射或吸收在不同軌道之間傳遞。軌道轉移的其他方法包括與顆粒（例如電子）的碰撞和螺螺效應。為了逃避原子，必須將電子能量提高到其與原子的結合能力之上。例如，這種情況發生在光電效應中，其中一個超過原子電離能的入射光子被電子吸收。
量化電子的軌道角動量。由於電子充電，它會產生與角動量成正比的軌道磁矩。原子的淨磁矩等於所有電子和核的軌道和自旋磁矩的矢量總和。與電子相比，核的磁矩可以忽略不計。佔據相同軌道（所謂的配對電子）的電子的磁矩相互抵消。
正如量子力學定律所描述的，原子之間的化學鍵是電磁相互作用的結果。最強的鍵是由原子之間電子的共享或轉移形成的，從而形成了分子。在一個分子中，電子在幾個核的影響下移動，並佔據分子軌道。它們可以在孤立的原子中佔據原子軌道。這些分子結構的一個基本因素是電子對的存在。這些是具有相反旋轉的電子，使它們可以佔據相同的分子軌道而不會違反Pauli排除原理（就像原子中一樣）。不同的分子軌道具有不同的電子密度空間分佈。例如，以鍵合（即在對實際結合原子結合在一起的成對中）的鍵合概率相對較小的核之間，可以找到電子。相比之下，在非鍵對中，電子在核周圍的大容量分佈。
電導率
如果人體具有比平衡原子核正電荷所需的電子或更少的電子，則該物體具有淨電荷。當電子過多時，據說該物體被負電。當電子的電子少於核中的質子數量時，據說該物體被帶正電。當電子數量和質子的數量相等時，它們的電荷相互抵消，並且該物體被認為是電中性的。宏觀體可以通過摩擦效應通過摩擦來產生電荷。
在真空中移動的獨立電子稱為游離電子。金屬中的電子也表現得好像是免費的。實際上，在金屬和其他固體中通常稱為電子的顆粒是準電子 -準粒子，它們具有與真實電子相同的電荷，自旋和磁矩，但可能具有不同的質量。當帶有真空和金屬中的游離電子（無論是在真空中還是金屬）時，它們會產生一個稱為電流的電荷淨流，該電流會產生磁場。同樣，電流也可以通過不斷變化的磁場創建。這些相互作用由麥克斯韋方程式數學描述。
在給定的溫度下，每種材料都有電導率，該電導率決定了應用電勢時電流的值。良好導體的例子包括銅和黃金等金屬，而玻璃和特氟龍的導體很差。在任何介電材料中，電子仍然與它們各自的原子結合，並且該材料作為絕緣子的表現。大多數半導體具有可變的電導率，位於傳導和絕緣層之間。另一方面，金屬具有包含部分填充電子帶的電子帶結構。這種頻段的存在使金屬中的電子表現得好像是自由或離域電子一樣。這些電子與特定原子無關，因此，當施加電場時，它們可以像自由電子一樣的材料像氣體（稱為費米氣體）一樣移動。
由於電子和原子之間的碰撞，導體中電子的漂移速度為每秒毫米的順序。但是，材料中某個點發生電流的速度會導致材料其他部分的電流變化，即傳播的速度，通常約為光速的75％。之所以發生這種情況，是因為電信號傳播為波，其速度取決於材料的介電常數。
金屬使熱量相對較好，這主要是因為離域電子可以在原子之間自由運輸熱能。但是，與電導率不同，金屬的導熱率幾乎與溫度無關。這是由Wiedemann -Franz定律數學表達的，該法指出，導熱率與電導率的比率與溫度成正比。金屬晶格中的熱疾病增加了材料的電阻率，從而產生了電流的溫度依賴性。
當在稱為臨界溫度的點以下冷卻時，材料可以在稱為超導性的過程中進行相變，使它們失去對電流的所有電阻率。在BCS理論中，稱為Cooper Pairs的電子對通過稱為聲子的晶格振動將其運動耦合到附近物質，從而避免了與通常產生電阻的原子的碰撞。 （庫珀對的半徑約為100 nm，因此它們可以相互重疊。）但是，較高溫度超導體運行的機制仍然不確定。
當在接近絕對零的溫度下緊密限制時，進行固體內部的電子本身就是準粒子本身，好像它們已經分成了其他三個準粒子：蜘蛛，軌道，軌道和果骨。前者帶有旋轉和磁矩，下一個攜帶其軌道位置，而後一種電荷。
運動和能量
根據愛因斯坦的特殊相對論理論，隨著電子的速度，從觀察者的角度來看，其相對論質量的增加，從觀察者的角度增加，從觀察者的參考框架中加速它，從而使其變得越來越困難。電子的速度可以接近，但永遠不會達到真空中的光速。但是，當相對論電子（即以接近C的速度移動的電子）被注入到介電介質（例如水）中時，局部光的局部速度明顯小於C 。當它們與介質相互作用時，它們會產生一個稱為Cherenkov輻射的微弱光。
特殊相對論的效果基於稱為洛倫茲因子的數量，定義為v是粒子的速度。帶有速度V的電子運動的動能KE為：
其中m e是電子的質量。例如，斯坦福線性加速器可以將電子加速至大約51 GEV。由於電子表現為波，因此在給定的速度下，它具有特徵性的de broglie波長。這是由λE = h / p給出的，其中H是普朗克常數， P是動量。對於上面的51 GEV電子，波長大約2.4 × 10 -17 m ，足夠小，可以探索遠低於原子核大小的結構。
形成
大爆炸理論是解釋宇宙發展的早期階段最廣泛接受的科學理論。在大爆炸的第一毫秒內，溫度超過100億爾文犬，光子具有超過100萬輛電子伏特的平均能量。這些光子充滿活力，可以彼此反應形成對電子和正電子對。同樣，正電子電子對彼此殲滅並發出能量光子：
- γ +γ↔E + E
在宇宙演化的這一階段，保持電子，正上子和光子之間的平衡。然而，經過15秒後，宇宙的溫度下降到可能發生電子軸體形成的閾值以下。大多數尚存的電子和正電子互相殲滅，釋放了伽馬輻射，這些伽馬輻射將宇宙短暫地加熱。
由於仍然不確定的原因，在殲滅過程中，顆粒的數量超過了反粒子。因此，每十億個電子詞素對，大約一個電子生存。這種過量的質子超過了抗抗蛋白子，在稱為巴屬不對稱的情況下，宇宙的淨電荷為零。倖存的質子和中子開始彼此參與反應 - 在被稱為核合成的過程中，形成氫和氦的同位素，並帶有微量的鋰。大約五分鐘後，這個過程達到頂峰。任何剩餘的中子都會發生負β衰減，半衰期約為一千秒，在此過程中釋放質子和電子，
- n→p + e +νe
關於下一個300 000 - 40萬年，多餘的電子仍然能量太大，無法與原子核結合。隨後是一個被稱為重組的時期，當形成中性原子並擴展的宇宙變得透明。
大爆炸大約一百萬年後，第一代恆星開始形成。在恆星中，恆星的核合成導致原子核融合的正常產生。這些反物質顆粒立即用電子殲滅，釋放伽瑪射線。最終結果是電子數量穩定減少，中子數量的匹配增加。但是，恆星進化的過程可能導致放射性同位素的合成。選定的同位素隨後會經歷負β衰減，從細胞核中排出電子和抗神經抗體。一個例子是鈷60（60CO）同位素，它衰減形成鎳60（60ni）。
在其生命週末結束時，一顆大約20個太陽能質量的恆星會經歷重力崩潰，形成黑洞。根據經典物理學的說法，這些巨大的恆星物體具有強大的引力吸引力，可以防止任何東西，甚至是電磁輻射，從而逃脫了Schwarzschild半徑。然而，量子機械效應被認為可能允許在此距離處發射鷹輻射。電子（和正電子）被認為是在這些恆星殘留物的事件範圍內創建的。
當在事件範圍附近產生一對虛擬顆粒（例如電子和正電子）時，隨機空間定位可能會導致其中一個出現在外部。此過程稱為量子隧道。然後，黑洞的重力可以提供將該虛擬粒子轉化為真實粒子的能量，從而使其輻射到太空中。作為交換，對兩人的另一個成員的負能量會導致黑洞的淨質量損失。鷹輻射的速率隨著質量的降低而增加，最終導致黑洞蒸發，直到最終爆炸。
宇宙射線是顆粒，穿過高能的空間。能源事件高記錄了3.0 × 10 20 eV 。當這些顆粒與地球大氣中的核子碰撞時，會產生顆粒淋浴，包括乳頭。從地球表面觀察到的宇宙輻射中有一半以上由imun組成。稱為MUON的粒子是通過親腐蝕在上層大氣中產生的輕子。
若子反過來可以衰減以形成電子或正電子。
- μ→E +νe +νμ
觀察
對電子的遠程觀察需要檢測其輻射能量。例如，在高能環境（例如恆星的電暈）中，游離電子形成一個血漿，該等離子體會輻射由於Bremsstrahlung輻射引起的能量。電子氣體可以進行血漿振盪，這是由電子密度同步變化引起的波，這些波浪產生的能量排放可以通過使用射電望遠鏡檢測到。
光子的頻率與其能量成正比。由於原子的不同能級之間的結合電子過渡，它在特徵頻率下吸收或發射光子。例如，當原子被具有廣泛光譜的源照射時，在相應的頻率被原子電子吸收的地方出現在透射輻射的光譜中。每個元素或分子都會顯示一組特徵的光譜線，例如氫光譜系列。當檢測到這些線的強度和寬度的光譜測量值允許確定物質的組成和物理特性。
在實驗室條件下，可以通過粒子探測器觀察到單個電子的相互作用，從而可以測量特定特性，例如能量，自旋和電荷。 Paul陷阱和筆記陷阱的發育允許長時間在一個小區域內包含帶電的顆粒。這可以精確測量粒子特性。例如，在一個實例中，使用一個筆陷阱包含單個電子10個月。將電子的磁矩測量為11位數字的精度，在1980年，這比任何其他物理常數都更高。
電子能量分佈的第一個視頻圖像是由2008年2月在瑞典隆德大學的一支團隊捕獲的。科學家使用了極短的光閃光，稱為Attosecond Pulses，這使電子運動可以首次觀察到。
可以通過角度分辨光發射光譜（ARPE）來觀察電子中電子的分佈。該技術採用光電效應來測量倒數空間- 一種用於推斷原始結構的周期結構的數學表示。 ARPE可用於確定材料中電子的方向，速度和散射。
等離子體應用
粒子梁
電子束用於焊接。他們允許能量密度10 7 W·cm -2在狹窄的焦點直徑為0.1-1.3 mm的狹窄焦點直徑上，通常不需要填充物材料。這種焊接技術必須在真空中進行，以防止電子在達到目標之前與氣體相互作用，並且可以用來連接導電材料，否則該導電材料被認為不適合焊接。
電子束光刻（EBL）是一種在小於千分尺的分辨率下蝕刻半導體的方法。該技術受到高成本，緩慢的性能，在真空中操作光束的需求以及電子傾向在固體中散射的趨勢。最後一個問題將分辨率限制在約10 nm。因此，EBL主要用於生產少量專業集成電路。
電子束處理用於照射材料，以改變其物理特性或對醫療和食品進行消毒。電子束流動或準熔融玻璃，而沒有大量輻射時溫度的顯著升高：例如，密集的電子輻射會導致粘度的降低和逐步降低其激活能量的數量級。
線性粒子加速器生成電子束，用於治療放射治療中的表面腫瘤。電子療法可以治療像基底細胞癌這樣的皮膚病變，因為電子束在被吸收之前僅滲透到有限的深度，通常在5-20 MeV範圍內的電子能量高達5 cm。電子束可用於補充X射線照射的區域的處理。
粒子加速器使用電場將電子及其反粒子推向高能。這些顆粒在通過磁場時會發出同步輻射。這種輻射對自旋的強度的依賴性使電子束偏振，這是一種稱為索科洛夫 - 內諾夫效應的過程。偏振電子束可用於各種實驗。同步加速器輻射還可以冷卻電子束以減少顆粒的動量擴散。電子和正電子梁在加速到所需能量的顆粒上碰撞。粒子探測器觀察到所得能量排放，粒子物理學研究。
成像
低能電子衍射（LEED）是一種用准直電子束轟擊結晶材料的方法，然後觀察所得的衍射模式以確定材料的結構。電子的所需能量通常在20-200 eV範圍內。反射高能電子衍射（RHEED）技術使用以各種低角度發射的電子束的反射來表徵結晶材料的表面。樑的能量通常在8-20 KEV範圍內，入射角為1-4°。
電子顯微鏡將聚焦的電子光束引導到標本。某些電子會改變其性質，例如運動方向，角度以及相對相和能量與材料相互作用。顯微鏡可以在電子束中記錄這些變化，以產生材料的原子解析圖像。在藍光下，常規光學顯微鏡的衍射限量分辨率約為200 nm。相比之下，電子顯微鏡受電子的de Broglie波長的限制。例如，對於在100,000伏電勢加速的電子中，該波長等於0.0037 nm。透射電子校正顯微鏡能夠低於0.05 nm的分辨率，這足以解決單個原子。該能力使電子顯微鏡成為用於高分辨率成像的有用實驗室儀器。但是，電子顯微鏡是昂貴的儀器，維護成本很高。
存在兩種主要的電子顯微鏡：傳輸和掃描。透射電子顯微鏡像頂部投影儀一樣起作用，一束電子通過一片材料，然後在照相滑塊或電荷耦合設備上被鏡頭投影。掃描電子顯微鏡rasteri在研究樣品中像電視機一樣，焦點濃縮的電子光束，以產生圖像。兩種顯微鏡類型的宏偉量從100×至1,000,000×或更高。掃描隧道顯微鏡將電子從尖銳的金屬尖端量子隧穿到研究的材料中，並可以產生其表面的原子解析圖像。
其他應用程序
在自由電子激光器（FEL）中，相對論的電子束穿過一對包含偶極磁體陣列的波動器，其磁場在交替的方向上指向。電子發出的同步輻射與相同的電子相互作用，以在諧振頻率下強烈放大輻射場。 FEL可以發出一致的高光彩電磁輻射，從微波到軟X射線，具有廣泛的頻率。這些設備用於製造，通信和醫療應用，例如軟組織手術。
電子在陰極射線管中很重要，這些管已被廣泛用作實驗室儀器，計算機監視器和電視機的顯示器。在光電倍增管中，每個撞擊光電的光子都會啟動產生可檢測到電流脈衝的電子的雪崩。真空管使用電子流來操縱電信號，它們在電子技術的開發中起著至關重要的作用。但是，它們在很大程度上被固態設備（例如晶體管）取代。