電子
電子
異なるエネルギーレベルにある水素原子軌道。不透明な領域は、特定の時点で電子が存在する可能性が最も高い領域です
構成素粒子[ 1 ]
統計フェルミオン
ファミリーレプトン
世代第一世代
相互作用弱い相互作用、電磁相互作用、重力相互作用
記号e−、β−
反粒子陽電子[ a ]
理論化されたリチャード・レーミング（1838～1851年）[ 2 ] 、 G・ジョンストン・ストーニー（1874年）他[ 3 ] 、[ 4 ]
発見JJトムソン（1897）[ 5 ]
質量9.109 383 7139 (28) × 10 −31  kg ‍ [6 ]5.485 799 090 441 (97) × 10 −4  Da ‍ [7 ] [1 822 .888 486 209 (53) ] −1  Da [ b ]0.510 998 950 69 (16)  MeV/ c 2 ‍ [8 ]
平均寿命＞6.6 × 10 28 年（理論的には安定）[ 9 ]
電荷−1  e −1.602 176 634 × 10 −19  C ‍ [10 ]
磁気モーメント−9.284 764 6917 (29) × 10 −24  J⋅T −1 ‍ [11 ]−1.001 159 652 180 46 (18)  μ B ‍ [12 ]
スピン⁠ 1 /2 ⁠ħ 
弱いアイソスピンLH：− 1 /2 、RH：0
弱い超電荷LH：-1、RH：-2

電子（e−、またはβ−（核反応における）は、負の電荷を持つ素電荷1を持つ亜原子粒子です。アップクォークとダウンクォークとともに、 宇宙を構成する通常の物質を構成する素粒子です

電子は極めて軽い粒子です。原子では、電子の物質波が正に帯電した原子核の周りの原子軌道を占めています。原子の電子の配置とエネルギー準位が、原子の化学的性質を決定します。電子は原子核に様々な程度で結合しています。最外殻電子、すなわち価電子は最も結合が弱く、原子間の化学結合を形成して分子や結晶を形成する役割を担っています。また、これらの価電子は原子間で移動または共有されることにより、あらゆる種類の化学反応を促進します。内側の電子殻は原子核を構成しています。

電子の概念は、数多くの物理現象を説明します。金属では、最外殻電子は非局在化しており、自由に移動できるため、金属の高い電気伝導性と熱伝導性は説明できます。半導体では、移動可能な電荷キャリア（電子と正孔）の数は、ドーピング、温度、電圧、放射線によって微調整可能であり、これが現代エレクトロニクスの基礎となっています。

電子は自由粒子として存在することができます。真空中の粒子ビームとして、自由電子は加速・集束され、ブラウン管、電子顕微鏡、電子ビーム溶接、リソグラフィー、シンクロトロン放射を発生させる粒子加速器などの用途に利用されます。

キャラクター設定

電子はレプトン粒子ファミリーの第一世代に属し、[ 13 ]強い核力を受けず、弱い力と電磁力のみで相互作用する素粒子です。電子は既知の構成要素や下部構造を持たないため、一般的に素粒子と考えられています。 [ 1 ]電子の質量は約⁠1/1836⁠陽子のそれ。 [ 14 ] 電子の量子力学的特性には、換算プランク定数の半分の固有角運動量（スピン）が含まれます。つまり、 ⁠ħ/2⁠ 。フェルミオンであるため、パウリの排他原理によれば、2つの電子が同じ量子状態を占めることはできません。[ 13 ]すべての素粒子と同様に、電子は粒子と波の両方の性質を示します。例えば、電子は粒子のように他の粒子と衝突したり、光波のように回折したりすることができます。電子の波動特性は、中性子や陽子などの他の粒子よりも質量が小さく、したがって与えられたエネルギーに対して ド・ブロイ波長が長いため、実験で観察しやすいです

電子の概念は、電気、磁気、化学、熱伝導などの物理現象を説明する上で不可欠です。これらの現象は重力、電磁気、弱い相互作用の影響を受けます。[ 15 ]電子は電荷を持っているため、周囲に電場を持ちます。電子が観測者に対して動いている場合、観測者はそれを観測して磁場を生成します。他の発生源から発生する電磁場は、ローレンツ力の法則に従って電子の運動に影響を与えます。電子は加速されると、光子の形でエネルギーを放射または吸収します。

実験装置は、電磁場を用いて個々の電子だけでなく電子プラズマも捕捉することができます。特殊な望遠鏡は宇宙空間における電子プラズマの検出も可能です。電子は、トライボロジー（摩擦帯電）、電気分解、電気化学、電池技術、エレクトロニクス、溶接、ブラウン管、光電気、太陽光発電パネル、電子顕微鏡、放射線治療、レーザー、気体イオン化検出器、粒子加速器など、多くの応用に関わっています。

電子と他の素粒子との相互作用は、化学や原子核物理学などの分野で興味深い研究対象となっています。原子は、原子核内の正の陽子と原子核外の負の電子で構成され、クーロン力によって互いに結合しています。イオン化状態（負の電子と正の電子の原子核の割合の差）または2つ以上の原子間の電子の共有が、化学結合の主な原因です。[ 16 ]

電子は、恒星における元素合成などの核反応に関与しており、ベータ粒子として知られています。電子は、放射性同位体のベータ崩壊や、宇宙線が大気圏に突入する際などの高エネルギー衝突によって生成されます。電子の反粒子は陽電子と呼ばれ、電子とは符号が逆の電荷を帯びていることを除けば同一です。電子が陽電子と衝突すると、両方の粒子が消滅し、ガンマ線光子が発生します。

歴史

電気力の効果の発見

古代ギリシャ人は、琥珀を毛皮でこすると小さな物体を引き寄せることに気づいていました。この現象は、雷と並んで、人類が記録に残る電気に関する最古の経験の一つです。[ 17 ]イギリスの科学者ウィリアム・ギルバートは、1600年に発表した論文『磁石論』の中で、琥珀と同様の性質を持ち、こすると小さな物体を引き寄せる物質を指す新ラテン語の「electrica」という造語を用いました。 [ 18 ]「electric」と「electricity」はどちらもラテン語の「ēlectrum 」（同名の合金の語源でもある）に由来し、これはギリシャ語で琥珀を意味する「ἤλεκτρον 」 （ēlektron）に由来しています。

2種類の電荷の発見

1700 年代初頭、フランスの化学者シャルル・フランソワ・デュ・フェイは、帯電した金箔が絹で擦ったガラスによって反発される場合、同じ帯電した金箔が羊毛で擦った琥珀によって引き付けられることを発見しました。このことと類似の実験の他の結果から、デュ・フェイは、電気は 2 種類の導電性流体、すなわち絹で擦ったガラス質の流体と羊毛で擦った琥珀の樹脂質の流体で構成されていると結論付けました。これらの 2 つの流体は、混合すると互いに中和することができます。[ 18 ] [ 19 ]アメリカの科学者エベネザー・キナーズリーも後に独立して同じ結論に達しました。[ 20 ] : 118 10 年後、ベンジャミン・フランクリンは、電気は異なる種類の導電性流体からではなく、過剰 (+) または不足 (-) を示す単一の導電性流体から構成されていることを提案しました。彼は、それぞれ正と負という現代の電荷命名法を与えました。[ 21 ]フランクリンは電荷キャリアを正と考えたが、どの状況が電荷キャリアの過剰で、どの状況が不足しているかを正しく識別しなかった。[ 22 ]

1838年から1851年にかけて、イギリスの自然哲学者リチャード・レーミングは、原子は単位電荷を持つ亜原子粒子に囲まれた物質の中心核で構成されているという考えを発展させました。[ 2 ] 1846年初頭、ドイツの物理学者ヴィルヘルム・エドゥアルト・ウェーバーは、電気は正と負に帯電した流体で構成され、それらの相互作用は逆二乗の法則に支配されているという理論を立てました。 1874年に電気分解の現象を研究した後、アイルランドの物理学者ジョージ・ジョンストン・ストーニーは、一価イオンの電荷である「単一の定まった量の電気」が存在すると提唱しました。彼は、ファラデーの電気分解の法則を用いて、この基本電荷eの値を推定することができました。[ 23 ]しかし、ストーニーはこれらの電荷は原子に永久に付着しており、除去することはできないと考えました。 1881年、ドイツの物理学者ヘルマン・フォン・ヘルムホルツは、正電荷と負電荷の両方が基本要素に分割され、それぞれが「電気の原子のように振る舞う」と主張した。[ 3 ]

ストーニーは1881年に「エレクトロン」という用語を初めて造語しました。10年後、彼はこれらの素電荷を記述するために「エレクトロン」という用語を使い始め、1894年に「…この最も注目すべき電気の基本単位の実際の量の推定値が得られ、それ以来、私は敢えてエレクトロンという名称を提案してきました」と記しています。1906年に「エレクトロン」に変更する提案がありましたが、ヘンドリック・ローレンツが「エレクトロン」をそのままにすることを好んだため、却下されました。 [ 24 ] [ 25 ] 「エレクトロン」という言葉は、「エレクトリク」と「イオン」を組み合わせたものです。[ 26 ]現在、陽子や中性子などの他の素粒子を表すのに使用されている接尾辞「オン」も、「エレクトロン」に由来しています。[ 27 ] [ 28 ]

物質外の自由電子の発見

内部に輝く円形のビームを持つ円形のガラス真空管
磁場によって円状に偏向された電子ビーム[ 29 ]

1859年、ドイツの物理学者ユリウス・プリュッカーは希薄気体の電気伝導性を研究していた際、陰極から放射された放射線が陰極付近の管壁に燐光を生じさせることを発見した。また、燐光の領域は磁場を加えることで移動させることができる。[ 30 ] 1869年、プリュッカーの弟子ヨハン・ヴィルヘルム・ヒットルフは、陰極と燐光の間に固体を置くと、管の燐光領域に影が落ちることを発見した。ヒットルフは、陰極から直線状の光線が放射され、その光線が管壁に当たることで燐光が生じると推測した。さらに、彼はこれらの光線が電流線と同様に磁石によって偏向されることも発見した。[ 31 ]

1876年、ドイツの物理学者オイゲン・ゴールドシュタインは、陰極表面に対して垂直に放射される放射線を示し、陰極から放射される放射線と白熱灯から放射される放射線を区別しました。ゴールドシュタインはこの放射線を陰極線と名付けました。[ 32 ] [ 33 ] : 393 数十年にわたる陰極線に関する実験的および理論的研究は、JJトムソンによる電子の発見に重要な役割を果たしました。[ 3 ]ゴールドシュタインは二重陰極の実験も行い、一方の放射線がもう一方の放射線を反発する可能性があるという仮説を立てましたが、粒子が関与しているとは考えませんでした。[ 34 ]

1870年代、イギリスの化学者で物理学者のウィリアム・クルックス卿は、内部に高真空を持つ最初の陰極線管を開発しました。[ 35 ]彼は1874年に、陰極線をその進路に置くと小さな外輪を回転させることができることを示しました。このことから、彼は陰極線が運動量を持っていると結論付けました。さらに、磁場をかけることで陰極線を偏向させ、ビームが負に帯電しているかのように振る舞うことを実証しました。[ 32 ] 1879年、彼はこれらの特性は、陰極線が負に帯電した気体分子からなる物質の第4の状態、つまり粒子の平均自由行程が非常に長いため衝突が無視できる状態にあると見なすことで説明できると提唱しました。 [ 33 ] : 394–395

1883年、当時まだ無名だったドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツは、陰極線が電気的に中性であることを証明しようと試み、磁場ではなく静電界では偏向が起こらないという確固たる証拠を得た。しかし、JJトムソンが1897年に説明したように、ヘルツは偏向電極を管内の導電性の高い領域に配置したため、電極表面付近で強い遮蔽効果が生じていた。[ 34 ]

ドイツ生まれのイギリスの物理学者アーサー・シュスターは、クルックスの実験を拡張し、金属板を陰極線と平行に配置し、板の間に電位をかけた。 [ 36 ]この電場によって陰極線は正に帯電した板の方向に偏向し、陰極線が負に電荷を帯びているというさらなる証拠となった。与えられた電場と磁場に対する偏向量を測定することにより、シュスターは1890年に陰極線成分の電荷質量比[ c ]を推定することができた。しかし、この値は予想の1000倍以上も大きなものとなり、当時は彼の計算にはほとんど信憑性が認められなかった。[ 32 ]これは、電荷キャリアははるかに重い水素原子や窒素原子であると想定されていたためである。 [ 36 ]シュスターの推定はその後、ほぼ正しいことが判明した。

1892年にヘンドリック・ローレンツはこれらの粒子（電子）の質量は電荷の結果である可能性があると示唆した。[ 37 ]

JJトムソン

1896年、フランスの物理学者アンリ・ベクレルは、天然の蛍光鉱物を研究していた際に、外部エネルギー源にさらされることなく放射線を放出することを発見しました。これらの放射性物質は、ニュージーランドの物理学者アーネスト・ラザフォードを含む多くの科学者の関心を集めました。ラザフォードは、放射性物質が粒子を放出することを発見しました。彼は、物質を透過する能力に基づいて、これらの粒子をアルファ線とベータ線と名付けました。 [ 38 ] 1900年、ベクレルは、ラジウムから放出されるベータ線が電場によって偏向すること、そしてその質量電荷比が陰極線と同じであることを示しました。[ 39 ]この証拠は、電子が原子の構成要素として存在するという見解を強固なものにしました。[ 40 ] [ 41 ]

1897年、イギリスの物理学者JJトムソンは、同僚のジョン・S・タウンゼント、HAウィルソンとともに、陰極線がそれまで考えられていた波動や原子、分子ではなく、実際には粒子であることを示す実験を行った。[ 5 ] 1899年までに、トムソンは陰極線の電荷質量比e / mが陰極物質に依存しないことを示した。さらに、放射性物質、加熱された物質、照射された物質によって生成される負に帯電した粒子は普遍的であることを示した。[ 5 ] [ 42 ]トムソンは陰極線「粒子」のm / eを測定し、電荷eを適切に推定して質量mの値を導き、既知の最も質量の小さいイオンである水素の1400分の1という値を発見した。[ 33 ] : 364 [ 5 ]同年、エミール・ヴィーヒャートとウォルター・カウフマンもe / m比を計算したが、その結果を新しい粒子の出現と解釈することはなかった。一方、JJトムソンは1899年に電子の電荷と質量についても推定値を与えた 。e  ≈6.8 × 10 −10  esuおよびm  ≈ 3 × 10 −26  g . [ 43 ] [ 44 ]

ロバート・ミリカン

「電子」という名称は、主にGFフィッツジェラルド、J.ラーモア、HAローレンツの提唱により、科学界によってこれらの粒子に採用されました。[ 45 ] : 273 この用語は、1891年にジョージ・ジョンストン・ストーニーによって、当時まだ発見されていなかった電荷の基本単位の仮称として最初に造られました。[ 46 ] [ 25 ]

電子の電荷は、アメリカの物理学者ロバート・ミリカンとハーヴェイ・フレッチャーが1909年に油滴実験でより精密に測定し、その結果は1911年に発表された。この実験では、荷電した油滴が重力で落下するのを防ぐために電場が使用された。この装置は、1～150個程度のイオンの電荷を0.3%未満の誤差で測定できた。同様の実験は、トムソンのチームによって以前にも行われており[ 5 ] 、電気分解によって生成された荷電した水滴の雲が用いられていた。また、1911年にはエイブラム・ヨッフェが荷電した金属微粒子を用いてミリカンと同じ結果を独立に得て、1913年にその結果を発表した[ 47 ]。しかし、油滴は蒸発速度が遅いため水滴よりも安定しており、より長期間にわたる精密な実験に適していた[ 48 ] 。

20世紀初頭頃、特定の条件下では、高速で移動する荷電粒子がその進路に沿って過飽和水蒸気の凝縮を引き起こすことが発見されました。1911年、チャールズ・ウィルソンはこの原理を利用して霧箱を考案し、高速で移動する電子などの荷電粒子の軌跡を撮影することができました。[ 49 ]

原子論

原子核の周りに3つの同心円があり、電子が2番目の円から1番目の円に移動し、光子を放出します
ボーアの原子模型。エネルギーがnで量子化された電子の状態を示しています。低い軌道に落ちる電子は、軌道間のエネルギー差に等しい光子を放出します

1914年までに、物理学者アーネスト・ラザフォード、ヘンリー・モーズリー、ジェームズ・フランク、グスタフ・ヘルツによる実験により、原子の構造は正電荷の高密度核とその周囲を低質量電子が取り囲む構造であることがほぼ確立されました。[ 50 ] 1913年、デンマークの物理学者ニールス・ボーアは、電子は量子化されたエネルギー状態にあり、そのエネルギーは原子核の周りの電子軌道の角運動量によって決まると仮定しました。電子は特定の周波数の光子を放出または吸収することで、これらの状態、つまり軌道間を移動することができます。これらの量子化された軌道を用いて、彼は水素原子のスペクトル線を正確に説明しました。 [ 51 ]しかし、ボーアのモデルはスペクトル線の相対的な強度を説明できず、より複雑な原子のスペクトルを説明することができませんでした。[ 50 ]

原子間の化学結合は、ギルバート・ニュートン・ルイスによって説明されました。彼は1916年、2つの原子間の共有結合は、それらの間で共有される電子対によって維持されると提唱しました。[ 52 ]その後、1927年にウォルター・ハイトラーとフリッツ・ロンドンは、量子力学の観点から電子対の形成と化学結合を包括的に説明しました。[ 53 ] 1919年、アメリカの化学者アーヴィング・ラングミュアは、ルイスの原子の静的モデルを発展させ、すべての電子が「すべて同じ厚さの同心円状の（ほぼ）球殻」に連続して分布していると提唱しました。[ 54 ]さらに、彼はこれらの殻を、それぞれが1対の電子を含む複数のセルに分割しました。このモデルを用いて、ラングミュアは周期表のすべての元素の化学的性質を定性的に説明することができました。 [ 53 ]これらの元素は、周期律に従ってほぼ繰り返されることが知られていました。[ 55 ]

1924年、オーストリアの物理学者ヴォルフガング・パウリは、原子の殻のような構造は、各状態が1個以下の電子によって占有されている限り、あらゆる量子エネルギー状態を定義する4つのパラメータのセットによって説明できることを観察しました。複数の電子が同じ量子エネルギー状態を占有することを禁じるこの原理は、パウリの排他原理として知られるようになりました。[ 56 ] 2つの異なる値が可能な4番目のパラメータを説明する物理的メカニズムは、オランダの物理学者サミュエル・グッドミットとジョージ・ウーレンベックによって提供されました。1925年に、彼らは、電子は、その軌道の角運動量に加えて、固有の角運動量と磁気双極子モーメントを持っていると提唱しました。[ 50 ] [ 57 ]これは、地球が太陽の周りを公転するときに地軸を中心に回転することに似ています。固有角運動量はスピンとして知られるようになり、高解像度分光器で観測されるスペクトル線の分裂をこれまで謎としていた理由で説明できるようになった。この現象は微細構造分裂として知られている。[ 58 ]

量子力学

1924年の学位論文『量子論の研究』の中で、フランスの物理学者ルイ・ド・ブロイは、すべての物質は光のようにド・ブロイ波として表せると仮説を立てました。[ 59 ]つまり、適切な条件下では、電子やその他の物質は粒子または波動のいずれかの性質を示します。粒子の粒子としての性質は、粒子が任意の瞬間にその軌道に沿って空間的に局在する位置にあることが示されたときに示されます。[ 60 ]光の波動性は、例えば光線が平行スリットを通過し、干渉縞を作り出すときに示されます1927年、ジョージ・パジェット・トムソンとアレクサンダー・リードは、電子ビームが薄いセルロイド箔、後に金属フィルムを通過したときに干渉効果が生じることを発見しました。また、アメリカの物理学者クリントン・デイヴィソンとレスター・ジャーマーは、電子がニッケルの結晶から反射することで干渉効果が生じることを発見しました。[ 61 ]トムソンの大学院生だったアレクサンダー・リードが最初の実験を行いましたが、その後まもなくオートバイ事故で亡くなり、[ 62 ]あまり語られることはありません。

中心から外側に向かって強度が減少する球対称の青い雲
量子力学では、原子内の電子の振る舞いは軌道によって記述されます。軌道は、軌道ではなく波動関数です。図中の陰影は、与えられた量子数に対応するエネルギーを持つ電子がその点において「見つかる」相対的な確率を示しています。

ド・ブロイによる電子の波動性に関する予言を受けて、エルヴィン・シュレーディンガーは原子核の影響下における電子の波動方程式を仮定した。1926年、この方程式、シュレーディンガー方程式は電子波の伝播の仕方をうまく記述した。[ 63 ]この波動方程式は、時間経過に伴う電子の位置を決定する解を与えるだけでなく、ある位置、特に電子が空間的に束縛されている位置の近くで電子が存在する確率を予測するためにも使用できた。この場合、電子波動方程式は時間経過とともに変化しない。このアプローチは量子力学の2番目の定式化（最初の定式化は1925年のハイゼンベルクによる）につながり、シュレーディンガー方程式の解はハイゼンベルクの解と同様に、水素原子内の電子のエネルギー状態の導出を提供した。これは1913年にボーアによって初めて導出されたものと同等であり、水素スペクトルを再現することが知られている。[ 64 ]スピンと複数の電子間の相互作用が記述できるようになると、量子力学は水素よりも大きな原子番号を持つ原子の電子の配置を予測することを可能にした。[ 65 ]

1928年、ポール・ディラックはヴォルフガング・パウリの研究を基にして、相対論的および対称性の考察を電磁場の量子力学のハミルトン定式化に適用することで、相対性理論と整合するディラック方程式という電子モデルを作成した。 [ 66 ]相対論的方程式のいくつかの問題を解決するために、ディラックは1930年に、負のエネルギーを持つ無限の粒子の海として真空のモデルを開発し、後にディラックの海と呼ばれるようになった。これにより、彼は電子の反物質版である陽電子の存在を予言した。 [ 67 ]この粒子は1932年にカール・アンダーソンによって発見され、彼は標準的な電子をネガトロンと呼び、正と負に帯電した変種の両方を説明するために電子を総称することを提案した。[ 68 ]

1947年、ウィリス・ラムは大学院生ロバート・レザーフォードと共同で、本来同じエネルギーを持つはずの水素原子の特定の量子状態が、互いにずれていることを発見した。この差はラムシフトと呼ばれるようになった。ほぼ同じ頃、ポリカープ・クッシュはヘンリー・M・フォーリーと共同で、電子の磁気モーメントがディラックの理論で予測されたものよりもわずかに大きいことを発見した。この小さな差は後に電子の異常磁気双極子モーメントと呼ばれるようになった。この差は後に、1940年代後半に朝永振一郎、ジュリアン・シュウィンガー、 リチャード・ファインマンが展開した量子電気力学の理論によって説明された。[ 69 ]

粒子加速器

20世紀前半の粒子加速器の開発により、物理学者は素粒子の特性をより深く探求し始めました。[ 70 ]電磁誘導を用いて電子を加速する最初の試みは、 1942年にドナルド・カーストによって成功しました。彼の最初のベータトロンは2.3MeVのエネルギーに達し、その後のベータトロンは300MeVを達成しました。1947年、ゼネラル・エレクトリックの70MeV電子シンクロトロンによってシンクロトロン放射が発見されました。この放射は、電子が磁場を通過して光速に近い速度で加速されることによって発生しました。[ 71 ]

最初の高エネルギー粒子加速器は、ビームエネルギーが1.5 GeVのADONEで、1968年に稼働を開始しました。[ 72 ]この装置は、電子と陽電子を反対方向に加速し、静止したターゲットに電子を衝突させた場合と比較して、衝突エネルギーを実質的に2倍にします。[ 73 ] CERNの大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）は、1989年から2000年まで稼働し、209 GeVの衝突エネルギーを達成し、素粒子物理学の標準モデルにとって重要な測定を行いました。[ 74 ] [ 75 ]

個々の電子の閉じ込め

個々の電子は、極低温（約4 K（-269 °C）から15  K（-258 °C）の範囲）で動作する超 小型（ L = 20 nm、W = 20 nm ）CMOSトランジスタ内に容易に閉じ込めることができる。 [ 76 ]電子の波動関数は半導体格子内に広がり、価電子帯の電子とほとんど相互作用しないため、その質量を有効質量テンソルに置き換えることで、単一粒子形式で扱うことができる。

分類

4行4列の表で、各セルには粒子識別子が含まれています
素粒子の標準モデル。電子（記号e）は左側にあります

素粒子物理学の標準モデルでは、電子はレプトンと呼ばれる素粒子のグループに属し、基本粒子または素粒子であると考えられています。電子は、荷電レプトン（またはあらゆる種類の荷電粒子）の中で最も質量が小さく、基本粒子の第一世代に属します。 [ 77 ]第二世代と第三世代には、ミューオンとタウという荷電レプトンが含まれ、電荷、スピン、相互作用は電子と同一ですが、質量が大きいです。レプトンは、物質の他の基本構成要素であるクォークと強い相互作用がないことが特徴です。レプトングループのすべてのメンバーは、半奇数の整数スピンを持つためフェルミオンです。電子はスピン⁠ħ/2⁠ . [ 78 ]

基本的な性質

質量

電子の不変質量はおよそ9.109 × 10 −31  kg、[ 6 ]または5.486 × 10 −4  Da 。質量エネルギー等価性により、これは静止エネルギー8.19 × 10 −14  J (陽子と電子の質量比は約1836である。[ 14 ] [ 79 ]天文学的測定によれば、陽子と電子の質量比は標準モデルで予測されている通り、少なくとも宇宙の年齢の半分の間、同じ値を保っていることが示されている。[ 80 ]

電荷

電子の電荷は−1.602 176 634 × 10 −19  C , [ 81 ]これは素電荷とも呼ばれ、素粒子の電荷の標準単位として用いられます。実験精度の範囲内では、電子の電荷は陽子の電荷と同一ですが、符号が逆になります。[ 82 ]

電子は一般的にeで表されます−負の電荷を示すために（電子の反粒子である陽電子はeで表されます）+同一だが正電荷であることを示すため）。[ 78 ] [ 81 ]

角運動量

電子は固有の角運動量またはスピンを持っていますħ/2⁠。[ 81 ]この性質は通常、電子をスピン1/2粒子と呼ぶことによって述べられます。[ 78 ]このような粒子の場合、スピンの大きさは⁠ħ/2⁠、[ 83 ]一方、任意の軸上のスピンの投影の測定結果は± ⁠ħ/2⁠。電子はスピンに加えて、スピン軸に沿って固有の磁気モーメントを持っています。 [ 81 ]これは1ボーア磁子にほぼ等しく、[ 84 ] [ d ]は物理定数で、9.274 010 0657 (29) × 10 −24  J⋅T −1 . [ 85 ]電子の運動量に対するスピンの向きは、ヘリシティとして知られる素粒子の性質を定義します。[ 86 ]

構造

電子には既知の下部構造がない。[ 1 ] [ 87 ]にもかかわらず、凝縮物質物理学では、一部の物質でスピンと電荷の分離が起こることがある。そのような場合、電子は3つの独立した粒子、スピノン、オービトン、ホロン（またはチャージゴン）に「分裂」する。電子は理論的には常に3つの束縛状態とみなされ、スピノンは電子のスピンを、オービトンは軌道自由度を、チャージゴンは電荷を運ぶが、特定の条件下では独立した準粒子として振る舞うこともある。[ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]

サイズ

電子-電子散乱はクーロンの法則からの逸脱を示さない。実験的には電子は構造を持たず、点状である。[ 91 ]：70 ペニングトラップ における単一電子の観測は、粒子の半径の上限が10 −22  m。[ 92 ] 電子半径の上限は10 −18  m [ 93 ]はエネルギーの不確定性関係を用いて導くことができる。

電子の大きさに関する理論的概念は曖昧である。相対論的量子力学では、ディラック方程式は電子を点電荷として扱うが、等価なニュートン・ウィグナー方程式はそうではない。[ 94 ]場の量子論では、自己エネルギーの数学的処理には最小距離カットオフまたは等価エネルギーが含まれる。より短い距離（高いエネルギー）では、より多くの項を追加する必要がある。[ 95 ] : 9

量子力学的でない、点のないモデルを作ろうとする試みは矛盾を生じます。例えば、古典的な電子半径と観測される電子の磁気回転比を持つ機械的に回転する電子は、光速を超える接線速度を持ちます。[ 13 ] 古典的な電子半径は、はるかに大きな値2.8179 × 10 −15  m（陽子の半径より大きい）は物理定数として使われますが、電子の基本構造の尺度ではありません。[ 91 ]

一生

素粒子物理学の標準模型では、電子は安定であると考えられている。[ 96 ] 電子は、電荷がゼロでない既知の粒子の中で最も質量が小さい。エネルギー保存則を仮定すると、その崩壊は電荷保存則に反する。[ 97 ] [ 98 ]多くの実験的試みは、電子の崩壊を観測することで、標準模型と電荷保存則の破綻を探ってきた。電子の平均寿命の実験的下限は、6.6 × 10 28年、90%信頼度水準で。[ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]

量子特性

すべての粒子と同様に、電子は波として振る舞うことができます。これは波動粒子二重性と呼ばれ、 二重スリット実験を用いて実証できます

電子の波動性により、電子は古典粒子の場合のように1つのスリットを通過するのではなく、2つの平行なスリットを同時に通過することができます。量子力学では、1つの粒子の波動性は、複素数値関数である波動関数として数学的に記述でき、一般的にギリシャ文字のプサイ（ψ ）で表されます。この関数の絶対値を2乗すると、粒子がある場所の近くで観測される確率、つまり確率密度が得られます。[ 102 ]：162–218

2次元の区画を3次元に投影したもの。一方の軸に沿って対称的な丘があり、もう一方の軸に沿って対称的な谷があり、おおよそ鞍型の形状をしています。
1次元の箱の中にある2つの同一のフェルミオンの量子状態における反対称波動関数の例。各水平軸は1つの粒子の位置に対応している。粒子の位置が入れ替わると、波動関数の符号は反転する。

電子は、固有の物理的性質によって互いに区別できないため、同一の粒子である。量子力学において、これは相互作用する電子対が、系の状態に観測可能な変化を及ぼすことなく位置を交換できることを意味する。電子を含むフェルミオンの波動関数は反対称であり、2つの電子が交換されると符号が変化する。すなわち、 ψ ( r 1 , r 2 ) = − ψ ( r 2 , r 1 )であり、ここで変数r 1とr 2はそれぞれ1番目と2番目の電子に対応する。符号の交換によって絶対値は変化しないため、これは等確率に対応する。光子などのボソンは、対称的な波動関数を持つ。[ 102 ] : 162–218

反対称性の場合、相互作用する電子の波動方程式の解は、各電子対が同じ位置または状態をとる確率をゼロにします。これはパウリの排他原理に起因し、任意の2つの電子が同じ量子状態をとることを禁じます。この原理は、電子の多くの性質を説明します。例えば、束縛された電子のグループは、原子内で全てが同じ軌道で重なり合うのではなく、異なる軌道を占有します。 [ 102 ] : 162–218

仮想粒子

しばしば誤った印象を与えがちですが、いくつかの側面を説明するのに役立つ単純化された図では、すべての光子は仮想電子とその反粒子である仮想陽電子の組み合わせとしてしばらく時間を過ごし、その後すぐに急速に消滅します。[ 103 ]これらの粒子を生成するために必要なエネルギー変化と、それらが存在する時間の組み合わせは、ハイゼンベルクの不確定性関係ΔE  · Δt ≥  ħ で表される検出可能性の閾値を下回ります。実際には、これらの仮想粒子を生成するために必要なエネルギーΔEは、一定期間Δtの間、真空から「借りる」ことができるため、それらの積は縮約プランク定数ħ ≈以下になります6.6 × 10 −16  eV·s。したがって、仮想電子の場合、Δ tは最大で1.3 × 10 −21 秒[ 104 ]​

左下にマイナス記号が付いた球は電子を表し、プラスとマイナス記号が付いた球のペアは仮想粒子を表します
電子の近くにランダムに現れる仮想電子-陽電子対の模式図（左下）

電子-陽電子仮想対が存在している間、電子を取り囲む周囲電場からのクーロン力により、生成された陽電子は元の電子に引き寄せられ、生成された電子は反発する。これが真空分極と呼ばれる現象を引き起こす。実際、真空は1より大きい誘電率を持つ媒体のように振る舞う。そのため、電子の有効電荷は実際には真の値よりも小さく、電子からの距離が増すにつれて電荷は減少する。[ 105 ] [ 106 ]この分極は1997年に日本のTRISTAN粒子加速器を用いて実験的に確認された。[ 107 ]仮想粒子は電子の質量と同等の遮蔽効果をもたらす。 [ 108 ]

仮想粒子との相互作用は、電子の固有磁気モーメントがボーア磁子からわずかに（約0.1%）ずれていること（異常磁気モーメント）も説明する。[ 84 ] [ 109 ]この予測値と実験的に決定された値が驚くほど正確に一致していることは、量子電磁力学の偉大な成果の一つとみなされている。[ 110 ]

点粒子である電子が固有の角運動量と磁気モーメントを持つという古典物理学における明らかなパラドックスは、電子によって生成される電場における仮想光子の形成によって説明できる。これらの光子は、電子をジッタ状に（ジッターベヴェーグングとして知られる）移動させると考えられ、結果として歳差運動を伴う正味の円運動が生じる。[ 111 ]この運動は、電子のスピンと磁気モーメントの両方を生成する。[ 13 ]原子において、この仮想光子の生成は、スペクトル線で観測されるラムシフトを説明する。[ 105 ]コンプトン波長は、電子などの素粒子の近くでは、エネルギーの不確実性により、電子の近くに仮想粒子が生成されることを示している。この波長は、近距離にある素粒子の周囲における仮想粒子の「静電気」を説明する。

相互作用

電子は電場を発生させ、陽子のような正電荷を持つ粒子には引力、負電荷を持つ粒子には斥力を与えます。非相対論的近似におけるこの力の強さは、クーロンの逆二乗則によって決まります。[ 112 ]：58–61。 電子が運動しているとき、磁場を発生させます。[ 102 ]：140。 アンペール・マクスウェルの法則は、磁場と観測者に対する電子の質量運動（電流）を関連付けています。この誘導の性質は、電気モーターを駆動する磁場を供給します。[ 113 ]。任意の運動する荷電粒子の電磁場は、リエナール・ヴィーヒャルトポテンシャルによって表され、これは粒子の速度が光速に近い場合（相対論的）でも有効です。[ 112 ]：429–434

荷電粒子の運動を示す円弧グラフ
電荷qを持つ粒子（左）は、速度vで、観測者に向かって向いた磁場Bの中を運動しています。電子の場合、qは負の値なので、上方向への曲線軌道を描きます。

電子が磁場中を運動する場合、電子は磁場と電子速度によって定義される平面に対して垂直に働くローレンツ力の影響を受ける。この向心力により、電子は磁場中を回転半径と呼ばれる半径で螺旋状の軌道を描く。この曲線運動による加速により、電子はシンクロトロン放射の形でエネルギーを放射する。[ 114 ] [ e ] [ 102 ] : 160 このエネルギー放射は、アブラハム・ローレンツ・ディラック力として知られる電子の反跳を引き起こし、摩擦によって電子の速度を低下させる。この力は、電子自身の磁場が電子自身に及ぼす反作用によって生じる。 [ 115 ]

曲線は電子の運動、赤い点は原子核、波線は放出された光子を示しています
ここで、制動放射線は原子核の電場によって偏向された電子eによって発生します。エネルギー変化E 2  −  E 1 は、放出された光子の周波数fを決定します。

量子電磁力学において、光子は粒子間の電磁相互作用を媒介する。一定速度で運動する孤立電子は、実光子を放出したり吸収したりすることはできない。そうすることはエネルギーと運動量の保存則に反するからである。その代わりに、仮想光子は2つの荷電粒子間で運動量を伝達することができる。例えば、この仮想光子の交換はクーロン力を生み出す。[ 116 ]エネルギー放出は、運動する電子が陽子などの荷電粒子によって偏向させられるときに起こる。電子の減速は制動放射線の放出をもたらす。[ 117 ]

光子（光）と孤立電子（自由電子）との非弾性衝突はコンプトン散乱と呼ばれます。この衝突により、粒子間で運動量とエネルギーの移動が起こり、光子の波長がコンプトンシフトと呼ばれる量だけ変化します。[ f ]この波長シフトの最大量はh / m e cであり、これはコンプトン波長として知られています。[ 118 ]電子の場合、コンプトン波長は次の値を持ちます。2.43 × 10 −12  m。[ 81 ]光の波長が長い場合（例えば可視光の波長は0.4～0.7 μm）、波長シフトは無視できるほど小さくなります。このような光と自由電子の相互作用は、トムソン散乱または線トムソン散乱と呼ばれます。[ 119 ]

電子と陽子のような2つの荷電粒子間の電磁相互作用の相対的な強さは、微細構造定数によって表される。この値は、2つのエネルギー、すなわち1コンプトン波長の距離における静電引力（または反発力）のエネルギーと、電荷の静止エネルギーの比によって表される無次元量である。これはα  ≈ で与えられる。0.007 297 353 , [ 120 ]であり、これはほぼ⁠1/137⁠ .

電子と陽電子が衝突すると、互いに消滅し、2つ以上のガンマ線光子が発生します。電子と陽電子の運動量が無視できる場合、消滅によってエネルギーの合計が1.022MeVの2つまたは3つのガンマ線光子が生成される前に、陽電子原子が形成されることがあります。[ 121 ] [ 122 ]一方、高エネルギー光子は対生成と呼ばれるプロセスによって電子と陽電子に変換されますが、原子核などの近くの荷電粒子が存在する場合に限られます。[ 123 ] [ 124 ]

電弱相互作用の理論では、電子の波動関数の左手成分は、電子ニュートリノと弱いアイソスピン二重項を形成する。これは、弱い相互作用の間、電子ニュートリノが電子のように振舞うことを意味する。この二重項のどちらかのメンバーは、 Wを放出または吸収することで荷電カレント相互作用を起こし、もう一方のメンバーに変換される。Wボソンも電荷を帯びているため、この反応中は電荷が保存され、変換中の正味の変化は打ち消される。荷電カレント相互作用は、放射性原子におけるベータ崩壊現象の原因である。電子と電子ニュートリノはどちらも、Zを介して中性カレント相互作用を起こすことができる。0交換、これがニュートリノ-電子弾性散乱の原因です。[ 125 ]

原子と分子

5行5列の表。各セルは色分けされた確率密度を表しています
断面で見た水素原子の最初の数個の軌道の確率密度。束縛電子のエネルギー準位によって、その電子が占める軌道が決定され、色は電子が特定の位置に存在する確率を反映している。

電子はクーロン力によって原子核に結合できます。原子核に結合した 1 つ以上の電子のシステムを原子といいます。電子の数が原子核の電荷と異なる場合、そのような原子はイオンと呼​​ばれます。結合した電子の波のような挙動は、原子軌道と呼ばれる関数によって記述されます。各軌道には、エネルギー、角運動量、角運動量の投影などの量子数の独自のセットがあります。原子核の周りには、これらの軌道の離散的なセットのみが存在します。パウリの排他原理によれば、各軌道は最大 2 つの電子によって占有でき、それらのスピン量子数は異なっている必要があります。

電子は、異なる軌道間の電位差に一致するエネルギーを持つ光子の放出または吸収によって、異なる軌道間を移動することができる。[ 126 ] : 159–160 軌道移動の他の方法としては、電子などの粒子との衝突やオージェ効果などがある。[ 127 ]原子から脱出するには、電子のエネルギーを原子への結合エネルギーよりも高くする必要がある。これは例えば光電効果によって起こり、原子のイオン化エネルギーを超える入射光子が電子に吸収される。[ 126 ] : 127–132

電子の軌道角運動量は量子化されている。電子は電荷を帯びているため、角運動量に比例する軌道磁気モーメントを生成する。原子の正味磁気モーメントは、すべての電子と原子核の軌道磁気モーメントとスピン磁気モーメントのベクトル和に等しい。原子核の磁気モーメントは電子の磁気モーメントと比較すると無視できるほど小さい。同じ軌道を占める電子（対電子）の磁気モーメントは互いに打ち消し合う。[ 128 ]

原子間の化学結合は、量子力学の法則で説明されているように、電磁相互作用の結果として発生します。[ 129 ]最も強い結合は原子間での電子の共有または移動によって形成され、分子の形成を可能にします。[ 16 ]分子内では、電子はいくつかの原子核の影響下で移動し、孤立した原子で原子軌道を占有できるのとほぼ同じように、分子軌道を占有します。 [ 130 ]これらの分子構造の基本要素は、電子対の存在です。これらは反対のスピンを持つ電子であり、パウリの排他原理に違反することなく同じ分子軌道を占有できます (原子の場合とほぼ同じ)。異なる分子軌道は、電子密度の空間分布が異なります。たとえば、結合ペア (実際に原子を結合するペア) の場合、電子は原子核間の比較的小さな体積内に最大確率で存在します。対照的に、電子は非結合対の形で原子核の周りに大きな体積で分布している。[ 131 ]

導電性

4つの稲妻が地面に落ちる
雷放電は主に電子の流れで構成されています。[ 132 ]雷に必要な電位は、摩擦電気効果によって生成されます。[ 133 ] [ 134 ]

物体が正味電荷を持つとは、電子が与える負電荷の総量が原子核の正電荷と等しくない場合です。電子が過剰である場合、物体は負に帯電していると言われます。電子が不足している場合、物体は正に帯電していると言われます。電子の数と陽子の数が等しい場合、それらの電荷は互いに打ち消し合い、物体は電気的に中性であると言われます。マクロな物体は、摩擦によって摩擦電気効果によって電荷を帯びることがあります。[ 135 ]

真空中を運動する独立した電子は自由電子と呼ばれます。金属中の電子も自由であるかのように振る舞います。実際には、金属やその他の固体中で一般的に電子と呼ばれる粒子は準電子、つまり準粒子であり、実際の電子と同じ電荷、スピン、磁気モーメントを持ちますが、質量が異なる場合があります。[ 136 ]真空中および金属中の自由電子が移動すると、電流と呼ばれる正味の電荷の流れが発生し、磁場が生成されます。同様に、変化する磁場によって電流が生成されます。これらの相互作用は、マクスウェル方程式によって数学的に記述されます。[ 137 ]

与えられた温度では、各物質には電気伝導率があり、それが電位が加えられたときの電流値を決定します。良導体の例には銅や金などの金属が含まれますが、ガラスやテフロンは不良導体です。どの誘電体でも、電子はそれぞれの原子に束縛されたままで、物質は絶縁体として振舞います。ほとんどの半導体は、伝導と絶縁の両極の間に位置する可変レベルの導電性を持っています。[ 138 ]一方、金属は部分的に満たされた電子バンドを含む電子バンド構造を持っています。このようなバンドの存在により、金属内の電子は自由電子または非局在電子であるかのように振舞います。これらの電子は特定の原子に関連付けられていないため、電場が適用される場合、フェルミガスと呼ばれるガスのように自由に移動できます[ 139 ]自由電子とほぼ同じように物質内を移動します。

電子と原子の衝突により、導体中の電子のドリフト速度は毎秒数ミリメートルのオーダーである。しかし、物質中のある点における電流の変化が物質の他の部分の電流に変化を引き起こす速度、すなわち伝搬速度は、典型的には光速の約75%である。[ 140 ]これは、電気信号が波として伝搬し、その速度が物質の誘電率に依存するためである。 [ 141 ]

金属は比較的良好な熱伝導体であり、これは主に非局在化した電子が原子間で熱エネルギーを自由に輸送できるためです。しかし、電気伝導率とは異なり、金属の熱伝導率は温度にほぼ依存しません。これは数学的にはヴィーデマン・フランツの法則[ 139 ]によって表され、熱伝導率と電気伝導率の比は温度に比例することを示しています。金属格子の熱的無秩序性は材料の電気抵抗率を増加させ、電流の温度依存性を生み出します[ 142 ] 。

臨界温度と呼ばれる点以下に冷却されると、物質は相転移を起こし、電流に対する抵抗が全くなくなる。この現象は超伝導と呼ばれる。BCS理論では、クーパー対と呼ばれる電子対がフォノンと呼ばれる格子振動を介して近傍の物質と結合し、通常は電気抵抗を生み出す原子との衝突を回避する。[ 143 ]（クーパー対の半径は約100 nmであるため、互いに重なり合うことができる。）[ 144 ]しかし、高温超伝導体がどのように動作するのかは未解明である。

導電性固体内の電子はそれ自体が準粒子であるが、絶対零度に近い温度にしっかりと閉じ込められると、スピノン、オービトン、ホロンという3つの他の準粒子に分裂したかのように振舞う。[ 145 ] [ 146 ]前者はスピンと磁気モーメントを運び、後者は軌道位置を運び、後者は電荷を運ぶ。

相対論的効果

アインシュタインの特殊相対性理論によれば、電子の速度が光速に近づくと、観測者の観点からはその相対論的質量が増加し、観測者の参照系に対する加速がますます困難になる。電子の速度は真空中の光速cに近づくことはできるが、到達することはない。しかし、cに近い速度で移動する相対論的電子を水などの誘電体媒体に注入すると、局所的な光速がcよりも大幅に遅くなり、電子は一時的に媒体中を光よりも速く移動する。媒体と相互作用すると、チェレンコフ放射と呼ばれる微弱な光が発生する。[ 147 ]

グラフはゼロから始まり、右上がりに急激にカーブしています
速度の関数としてのローレンツ因子。値は1から始まり、vがcに近づくにつれて無限大になります。

特殊相対性理論の効果は、ローレンツ因子と呼ばれる量に基づいています。これは と定義されます。ここで、vは粒子の速度です。速度vで運動する電子の運動エネルギーK eは、以下の式で表されます。 γ＝1/1−v2/c2{\displaystyle \textstyle \gamma =1/{\sqrt {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}}

Ke＝（γ−1）mec2、{\displaystyle \displaystyle K_{\mathrm {e} }=(\gamma -1)m_{\mathrm {e} }c^{2},}

ここで、 m eは電子の質量である。例えば、スタンフォード線形加速器は電子を約51 GeVまで加速することができる。 [ 148 ] 電子は波として振舞うため、与えられた速度では特有のド・ブロイ波長を持つ。これはλ e  =  h / pで与えられ、hはプランク定数、pは運動量である。[ 59 ]上記の51 GeV電子の場合、波長は約2.4 × 10 −17  mであり、原子核の大きさよりはるかに小さい構造を探査するのに十分な小ささである。[ 149 ]

生成

光子は原子核に左から近づき、その結果生じた電子と陽電子は右へ移動します
光子が原子核に近づくことで生じる電子と陽電子の対生成。稲妻の記号は仮想光子の交換を表し、電気力が作用します。粒子間の角度は非常に小さいです。 [ 150 ]

ビッグバン理論は、宇宙の進化の初期段階を説明する最も広く受け入れられている科学理論です。[ 151 ]ビッグバンの最初の1ミリ秒間、温度は100億 ケルビンを超え、光子の平均エネルギーは100万電子ボルトを超えました。これらの光子は十分に高エネルギーであったため、互いに反応して電子と陽電子の対を形成しました。同様に、陽電子と電子の対は互いに消滅し、高エネルギー光子を放出しました。

γ + γ ↔ e++ e−

宇宙の進化のこの段階では、電子、陽電子、光子の間の平衡が維持されていました。しかし、15秒が経過すると、宇宙の温度は電子と陽電子の形成が起こり得る閾値を下回りました。生き残った電子と陽電子のほとんどは互いに消滅し、ガンマ線を放出して宇宙を一時的に再加熱しました。[ 152 ]

理由は不明であるが、消滅過程において粒子の数が反粒子の数を上回った。そのため、生き残った電子・陽電子対10億個につき約1個の電子が残った。この過剰は陽子の反陽子に対する過剰と一致し、重粒子非対称性として知られる状態となり、結果として宇宙の正味電荷はゼロとなった。[ 153 ] [ 154 ]生き残った陽子と中性子は互いに反応し始め、元素合成と呼ばれるプロセスで、水素とヘリウムの同位体と微量のリチウムを形成した。このプロセスは約5分後にピークに達した。[ 155 ]残った中性子は半減期が約1000秒の負のベータ崩壊を起こし、その過程で陽子と電子を放出した。

n → p + e−+ νe

今後約 300,000 ～40万 年の間、余剰電子は原子核と結合するにはエネルギーが高すぎました。[ 156 ]その後、再結合と呼ばれる期間が続き、中性原子が形成され、膨張宇宙は放射線に対して透明になりました。[ 157 ]

ビッグバンから約100万年後、第一世代の星が形成され始めました。[ 157 ]星内部では、恒星内元素合成により原子核の融合から陽電子が生成されます。これらの反物質粒子はすぐに電子と対消滅し、ガンマ線を放出します。その結果、電子の数は着実に減少し、中性子の数は同程度に増加します。しかし、恒星の進化の過程で放射性同位体が合成されることがあります。選ばれた同位体はその後、負のベータ崩壊を起こし、原子核から電子と反ニュートリノを放出します。[ 158 ]一例として、コバルト60（60 Co）同位体はニッケル60（60Ni ) [ 159 ]

粒子生成を表す分岐樹
地球の大気圏に衝突する高エネルギー宇宙線によって発生する広範囲にわたる大気シャワー

太陽の約20倍以上の質量を持つ恒星は、その寿命の終わりに重力崩壊を起こしてブラックホールを形成する可能性がある。[ 160 ]古典物理学によれば、これらの大質量恒星は、シュワルツシルト半径を超えて逃げることさえも、電磁放射さえも阻止するほど強い重力を及ぼす。しかし、量子力学的な効果により、この距離でもホーキング放射が放出される可能性があると考えられている。電子（および陽電子）は、これらの恒星残骸の事象の地平線で生成されると考えられている。

事象の地平線付近で仮想粒子（電子と陽電子など）のペアが生成されると、ランダムな空間配置によってそのうちの1つが外部に現れることがあります。このプロセスは量子トンネル効果と呼ばれます。ブラックホールの重力ポテンシャルは、この仮想粒子を実粒子に変換するエネルギーを供給し、宇宙に放射することができます。[ 161 ]代わりに、ペアのもう1つの粒子には負のエネルギーが与えられ、ブラックホールの質量エネルギーは正味で減少します。ホーキング放射の速度は質量の減少とともに増加し、最終的にはブラックホールを蒸発させ、最終的には爆発させます。[ 162 ]

宇宙線は高エネルギーで宇宙を飛び回る粒子です。3.0 × 10 20  eVのエネルギーが記録されています。[ 163 ]これらの粒子が地球の大気圏で核子と衝突すると、パイオンを含む粒子のシャワーが発生します。[ 164 ]地球表面から観測される宇宙線の半分以上はミューオンで構成されています。ミューオンと呼ばれる粒子は、上層大気でパイオンが崩壊して生成されるレプトンです。

π−→ μ−+ νμ

ミューオンは崩壊して電子または陽電子を形成します。[ 165 ]

μ−→え−+ νe+ νμ

観測

雪に覆われた地面の上空で渦巻く緑色の光
オーロラは主に、大気中に降り注ぐ高エネルギー電子によって引き起こされます[ 166 ]

電子の遠隔観測には、電子が放射するエネルギーの検出が必要である。例えば、恒星のコロナのような高エネルギー環境では、自由電子がプラズマを形成し、制動放射線によってエネルギーを放射する。電子ガスはプラズマ振動を起こすことができ、これは電子密度の同期した変化によって引き起こされる波であり、電波望遠鏡を用いて検出できるエネルギー放射を生成する。[ 167 ]

光子の周波数はそのエネルギーに比例する。束縛電子が原子の異なるエネルギー準位間を遷移する際に、特徴的な周波数の光子を吸収または放出する。例えば、原子が広いスペクトルを持つ光源から照射されると、透過光のスペクトルにおいて、対応する周波数が原子の電子によって吸収される箇所に、明瞭な暗線が現れる。各元素または分子は、水素スペクトル系列のように、特徴的なスペクトル線群を示す。これらのスペクトル線が検出されると、その強度と幅を分光測定することで、物質の組成と物理的特性を決定することができる。[ 168 ] [ 169 ]

実験室環境では、粒子検出器を用いて個々の電子の相互作用を観察することができ、エネルギー、スピン、電荷などの特定の特性を測定することができる。[ 170 ]ポールトラップとペニングトラップの開発により、荷電粒子を長時間狭い領域に閉じ込めることが可能になった。これにより、粒子の特性を正確に測定することが可能になった。例えば、ある実験では、ペニングトラップを用いて単一の電子を10ヶ月間閉じ込めた。[ 171 ]電子の磁気モーメントは11桁の精度で測定され、これは1980年当時、他のどの物理定数よりも高い精度であった。[ 172 ]

電子のエネルギー分布を捉えた最初のビデオ画像は、 2008年2月にスウェーデンのルンド大学の研究チームによって撮影された。科学者たちはアト秒パルスと呼ばれる非常に短い光の閃光を使用し、初めて電子の動きを観測することに成功した。[ 173 ] [ 174 ]

固体材料中の電子分布は、角度分解光電子分光法（ARPES）によって可視化することができます。この手法は、光電効果を利用して逆格子空間（周期構造の数学的表現）を測定し、元の構造を推測するために使用されます。ARPESは、材料内の電子の方向、速度、散乱を決定するために使用できます。[ 175 ]

プラズマ応用

粒子ビーム

上からの紫色の光線は、スペースシャトルの模型の周りに青い輝きを生み出します
NASAの風洞試験では、スペースシャトルの模型に電子ビームを照射し、再突入時の電離ガスの影響をシミュレートしています。[ 176 ]

電子ビームは溶接に用いられる。[ 177 ]電子ビームは最大エネルギー密度を可能にする。0.1～1.3 mmの狭い焦点径にわたって10 7  W·cm −2のエネルギーを照射でき、通常は充填材を必要としません。この溶接技術は、電子がターゲットに到達する前にガスと相互作用するのを防ぐため、真空中で行わなければなりません。また、通常は溶接に適さない導電性材料の接合にも使用できます。[ 178 ] [ 179 ]

電子ビームリソグラフィー（EBL）は、1マイクロメートル未満の解像度で半導体をエッチングする方法です。[ 180 ]この技術は、高コスト、低速、真空中でビームを操作する必要があること、そして固体中で電子が散乱する傾向があることなどの制約があります。最後の問題により、解像度は約10nmに制限されます。このため、EBLは主に少数の特殊な集積回路の製造に使用されます。[ 181 ]

電子ビーム処理は、材料に照射して物理的特性を変えたり、医薬品や食品を殺菌したりするために使用されます。 [ 182 ]電子ビームは、強力な照射により温度を大幅に上昇させることなくガラスを流動化または準溶融します。例えば、強力な電子照射は粘度を数桁減少させ、活性化エネルギーを段階的に減少させます。[ 183 ]

線形粒子加速器は、放射線治療における表在性腫瘍の治療に用いる電子線を発生させます。電子線は吸収される前に限られた深さまでしか浸透しないため、通常5～20MeVの電子エネルギーでは最大5cmまでしか浸透しないため、基底細胞癌などの皮膚病変も電子線治療で治療できます。電子線は、X線照射を受けた部位の治療を補助するために用いることができます。[ 184 ] [ 185 ]

粒子加速器は電場を用いて電子とその反粒子を高エネルギーまで加速します。これらの粒子は磁場を通過する際にシンクロトロン放射を放出します。この放射の強度がスピンに依存するため、電子ビームは偏極します。これはソコロフ・テルノフ効果として知られています。[ g ]偏極電子ビームは様々な実験に有用です。シンクロトロン放射は電子ビームを冷却することで、粒子の運動量の広がりを小さくすることもできます。電子ビームと陽電子ビームは、粒子が必要なエネルギーまで加速された際に衝突します。粒子検出器は、結果として生じるエネルギー放出を観測し、これを素粒子物理学で研究します。[ 186 ]

イメージング

低エネルギー電子回折（LEED）は、結晶性物質にコリメートされた電子ビームを照射し、得られた回折パターンを観察して物質の構造を決定する方法です。必要な電子のエネルギーは通常、20～200 eV。[ 187 ]反射高エネルギー電子回折（RHEED）法は、様々な低角度で照射した電子ビームの反射を利用して結晶材料の表面を解析する。ビームエネルギーは通常、8～20keVで入射角は1°–4° . [ 188 ] [ 189 ]

電子顕微鏡は、集束した電子ビームを試料に照射します。電子ビームが試料と相互作用すると、一部の電子は移動方向、角度、相対位相、エネルギーなどの特性が変化します。顕微鏡学者は、これらの電子ビームの変化を記録し、試料の原子レベルの分解能を得ることができます。[ 190 ]青色光の場合、従来の光学顕微鏡の分解能は約200nmです。[ 191 ]一方、電子顕微鏡の分解能は電子のド・ブロイ波長によって制限されます。この波長は、例えば、電子が加速された波長に対して0.0037nmです。10万 Vの電位です。[ 192 ]透過型電子収差補正顕微鏡は0.05nm以下の分解能を有しており、これは個々の原子を分離するには十分すぎるほどです。[ 193 ]この能力により、電子顕微鏡は高解像度画像化のための有用な実験装置となっています。しかしながら、電子顕微鏡は高価な装置であり、維持費も高額です。

電子顕微鏡には主に透過型と走査型の2種類がある。透過型電子顕微鏡はオーバーヘッドプロジェクターのような機能を持ち、電子ビームが材料のスライスを通過し、レンズによって写真スライドまたは電荷結合素子上に投影される。走査型電子顕微鏡は、テレビのように細かく焦点を絞った電子ビームを研究対象のサンプル全体に照射して画像を生成する。倍率はどちらの顕微鏡タイプでも100倍から1,000,000倍以上に及ぶ。走査型トンネル顕微鏡は、鋭い金属の先端から研究対象の材料へと電子が量子トンネル効果によって進む現象を利用し、その表面の原子レベルで分解された画像を生成することができる。[ 194 ] [ 195 ] [ 196 ]

その他のアプリケーション

自由電子レーザー（FEL）では、相対論的な電子ビームが、磁場の方向が交互に変化する双極子磁石のアレイを備えた一対のアンジュレータを通過します。電子はシンクロトロン放射を放出し、この放射は同じ電子とコヒーレントに相互作用することで、共鳴周波数における放射場を強力に増幅します。FELは、マイクロ波から軟X線まで、幅広い周波数範囲でコヒーレントな高輝度電磁放射を放射できます。これらの装置は、製造、通信、そして軟部組織手術などの医療用途に使用されています。[ 197 ]

電子はブラウン管において重要な役割を果たしており、ブラウン管は実験器具、コンピュータモニター、テレビなどの表示装置として広く利用されてきました。[ 198 ]光電子増倍管では、光電陰極に当たる光子一つ一つが電子雪崩を引き起こし、検出可能な電流パルスを生成します。[ 199 ]真空管は電子の流れを利用して電気信号を操作し、電子工学技術の発展において重要な役割を果たしました。しかし、トランジスタなどの固体素子によってその役割は大きく代替されてきました。[ 200 ]

関連項目

注釈

  1. ^陽電子は「反電子」と呼ばれることもあります
  2. ^分数版の分母は小数値の逆数（相対標準不確かさは2.9 × 10 −11）。
  3. ^古い情報源では、現代の慣習である質量電荷比ではなく、電荷質量比が記載されています。
  4. ^ボーア磁子:
    μB＝eℏ2me{\displaystyle \textstyle \mu_{\mathrm {B} }={\frac {e\hbar}{2m_{\mathrm {e} }}}}
  5. ^非相対論的電子からの放射線はサイクロトロン放射線と呼ばれることもあります。
  6. ^波長の変化Δλは反跳角θに依存し、次の式で表される。
    Δλ＝hmec（1−cos⁡θ）、{\displaystyle \textstyle \Delta \lambda ={\frac {h}{m_{\mathrm {e} }c}}(1-\cos \theta ),}
    ここでcは真空中の光速、meは電子の質量である。Zombeck (2007)を参照。[ 79 ] :393, 396
  7. ^電子ビームの偏光とは、すべての電子のスピンが一方向を向いていることを意味します。言い換えれば、すべての電子のスピンをその運動量ベクトルに投影したものは同じ符号を持ちます。

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ウィキクォートにはElectronに関する引用があります
ウィキソースには、 1911 年のブリタニカ百科事典の記事「エレクトロン」のテキストがあります。
ウィキメディア コモンズには、電子に関連するメディアがあります。

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