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电子（外文名：electron）是一种带有负电的亚原子粒子，常用符号e表示，1897年由英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生在研究阴极射线时发现。

电子是电量的最小单元。[1]它可以是自由的(不属于任何原子)，也可以被原子核束缚。电子具有粒子性和波动性，即波粒二象性。

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词条图册关系表

目录

1历史电现象阴极射线发现电子原子理论量子力学粒子加速器2物理特性分类基本性质量子性质虚粒子相互作用原子和分子电传导和热传导相对论性电子的性质3电子天文学理论4观测5应用领域电子束成像自由电子激光其它6词条图册

1历史编辑

电现象

大约2500年前，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用丝绸或法兰绒摩擦琥珀（古希腊语：ήλεκτρον ，"ēlektron"）能吸引轻小物体。“electric（电）”这个词就是起源于希腊语中的“ελεκτρον（琥珀）”。

东汉时期（约公元一世纪），王充所著书籍《论衡》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。西元三世纪，晋朝张华的《博物志》中也有记载：“今人梳头，解着衣，有随梳解结，有光者，亦有吒声”。这里记载头发因摩擦起电发出的闪光和劈啪之声。

生于十八世纪，富兰克林对于电学贡献良多。

查尔斯·笃费主张，大自然有两种不同的“电流体”（electric fluid），它们分别为玻璃电（正电）与树脂电（负电），摩擦的动作可以将它们分离， 合并后会相互中和对方。这理论称为“双流体理论”。稍后，美国科学家埃柏奈泽·肯纳斯理也独立获得相同的结论。

美国人本杰明·富兰克林意识到闪电与摩擦起电涉及到相同的自然要素——后来称之为电，并且做风筝实验证实这一观点。如同那个时期的大多数科学家，富兰克林认为，电效应是一种弥漫于所有物体内部的奥妙流体所产生的作用。假设经过某种程序，促使物体得到更多这种流体，则称此物体带正电；假设经过另一种程序，促使物体失去这种流体，则称此物体带负电。若这两个物体互相接触到对方，流体会从带正电物体流往带负电物体。流体的这种重新分布规定了电流方向（与后来观测到的电子流动方向正好相反）。这是一种“单流体理论”。

在1838年至1851年期间，英国医生理查·莱敏提议，原子是由核心物质与以同心圆样式包围在四周的带有单位电荷的次原子粒子所组成；精简地说，他猜想大自然存在带有单位电荷的次原子粒子。在1846年，德国物理学者威廉·韦伯建议，原子的结构类似行星系统，很多带正电的次原子粒子环绕着一个带负电的核心物质转动，次原子粒子的质量非常微小，核心物质的质量非常大。1874年，爱尔兰物理学者乔治·斯桐尼建议，在电解现象里，大自然揭示了电的确切单一数量，这数量与电所作用的物体的种类无关。

他又于1891年提议，将这些基本电量（基本电荷）命名为“electron ”（电子），他还尝试使用法拉第电解定律来估算其数值。斯桐尼的电子永久束缚在原子内部，无法被移除，每一个原子的化学键都会伴随着电子。这些电子的震动造成周围以太的电磁应力。1881年，德国物理学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹强调，从法拉第电解定律的结果可以总结，不论是正电或是负电，它们都可被分割为确切的基本单位，其物理性具有粒子性质。

阴极射线

电子束被磁场偏转成圆形。

德国物理学者尤利乌斯·普吕克研究盖斯勒管内的稀薄气体里的放电现象。他在1858年发现，假设使用白金为阴极的材料，则会有小粒子从阴极剥离。他猜想，剥离的白金粒子因白炽而发出辉光。他还观测到，在放电时，在阴极附近的玻璃管壁会出现磷光，其位置会随着磁场而改变。普吕克的学生约翰·希托夫于1869年进一步发现，假设在阴极与磷光之间置入一个物体，则辉光会被限制在阴极与物体之间，玻璃管壁会因为物体的遮挡而在磷光曲面内出现一块阴影，这意味着辉光不会转弯，只会以直线传播。

1876年，德国物理学者欧根·戈尔德斯坦将希托夫的实验加以扩展，他使用面积较大的阴极，而不是希托夫的点阴极，他发现，辉光的光线并不是朝着所有方向发射，而是朝着垂直于表面的方向发射。他将辉光的光线命名为阴极射线。阴极射线的发射方式与坎德拉不同，这是一个很大的区别，但希托夫与戈尔德斯坦仍旧认为，阴极射线是某种传播于以太的电磁波。尽管如此，他们的研究成果已为未来关于阴极射线本质的辩论撒下了种子。

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。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，这更加坚定了他的信念。

发现电子

约瑟夫·汤姆孙，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）的荷质比，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，电子作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·贝克勒尔发现，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内斯特·卢瑟福。按照这些粒子穿透物质的能力，卢瑟福替这些粒子分别取名为阿尔法粒子和贝塔粒子（“阿尔法”是希腊字母的第一个字母“α”，“贝塔”是第二个字母“β”）。于1900年，贝克勒尔发现，镭元素发射出的贝塔射线，会被电场偏转；还有，贝塔射线和阴极射线都有同样的荷质比。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，贝塔射线就是阴极射线。

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·威耳逊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

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孙的梅子布丁模型。发表于1904年，汤姆孙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，著名的卢瑟福散射实验彻底地推翻了这模型。

卢瑟福根据他的实验结果，于1911年，设计出卢瑟福模型。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。

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·玻尔提出了玻尔模型。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，玻尔正确地计算出氢原子光谱。但是，使用玻尔模型，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，瓦尔特·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·泡利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，称为泡利不相容原理）。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，荷兰物理学家塞缪尔·古德斯米特和乔治·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·汤姆孙用金属薄膜，美国物理学家克林顿·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，而是概率幅。概率分布是概率幅绝对值的平方。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概率。

德布罗意的博士论文给予埃尔温·薛定谔莫大的启示：既然粒子具有波动性，那必定有一个波动方程，能够完全地描述这粒子的波动行为。1926年，薛定谔提出了薛定谔方程。这波动方程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概率，也就是说，在某位置找到电子的概率。薛定谔用自己想出的方程来计算氢原子的谱线，得到了与用玻尔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，薛定谔方程也能够给出电子在其它原子序较高的原子内的电子组态。

1928年，保罗·狄拉克发表了狄拉克方程。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，贝塔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），名为大储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。

2物理特性编辑

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。μ子和τ子分别为第二代和第三代的轻子。它们的电荷量、自旋和基本相互作用，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 × 10−31千克或5.489 × 10−4amu。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 × 10−19库仑，这是亚原子粒子所使用的电荷单位的电量。在实验准确极限内，电子的绝对带电量与质子相等，但正负号相反。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玻尔磁子，或9.274 009 15（23）×10−24焦耳/特斯拉。电子的自旋对于动量方向的投影为电子的螺旋度。

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10−22米。经典电子半径是2.8179 × 10−15米。这个结果是从经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，μ子就是一个很好的例子。平均寿命为2.2 × 10−6秒的μ子会衰变成一个电子、一个中微子和一个反中微子。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 × 1026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。使用更高阶的实验设备，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

的概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概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，泡利不相容原理表明，两个全同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什么不同；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。遵循泡利不相容原理，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，空间会继续不停地生成一对一对的虚粒子，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，生成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定的侦测底限，

；其中，

是约化普朗克常数。实际而言，生成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 × 10−21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，新生成的正子，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。

虚粒子相互作用能够解释，在电子的内在磁矩与玻尔磁子之间，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，能够生成虚光子。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，可以用虚光子生成的理论来解释。

相互作用

电子是带负电粒子，其所产生的电场，会吸引像质子一类的带正电粒子，也会排斥像电子一类的带负电粒子，这些现象所涉及的作用力遵守库仑定律。一群电子在空间中移动的动作会形成电流，安培定律描述电流与电流所产生的磁场彼此之间的关系。这种感应性质给出了驱动电动机的磁场。

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，称为李纳-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，可以从李纳-维谢势求得，也可以用杰斐缅柯方程直接计算出来。应用狭义相对论，也可以推导出同样的结果。

移动于磁场的电子，会感受到洛伦兹力的作用。这洛伦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-洛伦兹-狄拉克力，使得电子的移动速度减缓。阿布拉罕-洛伦兹-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相互作用。

在量子电动力学里，粒子与粒子之间传递电磁相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。

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 × 10−12 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，称这种散射为汤姆孙散射。

当电子与正子相互碰撞时，它们会互相湮灭对方，同时生成两个以上，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电子偶素原子，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，这程序称为成对产生。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。只有在像原子核等等的带电粒子附近，由于库仑作用，能量大于1.022 MeV的光子才有可能发生成对产生。

轻子的量子态是由遵守狄拉克方程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。根据弱相互作用理论，电子狄拉克旋量的左手部分会与电中微子狄拉克旋量形成弱同位旋二重态。对于弱相互作用，电中微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。这过程称为电性流相互作用。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。放射性原子的贝塔衰变现象所涉及的就是电性流相互作用。电子和电中微子可以互相交换Z玻色子，这过程称为中性流相互作用，中微子-电子弹性散射所涉及的就是中性流相互作用。

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，主量子数设定能级，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。根据泡利不相容原理，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。

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（欲知道更详细的资料，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；遵守泡利不相容原理，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概率密度分布。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，可以用麦克斯韦方程组来描述。

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连结。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厘米。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%。这是因为电子讯号的传播类似光波，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，称为切连科夫辐射。

狭义相对论的效应要视洛伦兹因子的大小而决定。洛伦兹因子

以方程定义为

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，斯坦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 × 10−17，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。

3、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，从而生成电子和正子。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，有足够的能量来生成电子和正子对。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-正子生成过程的温度底限100亿K。因此，光子不再具有足够的能量来生成电子和正子对，大规模的电子-正子生成事件不再发生。可是，电子和正子还是继续不断地相互湮灭对方，发射高能量光子。由于某些尚未确定的因素，在轻子生成过程中，生成的电子多于正子。

否则，假若电子数量与正子数量相等，现在就没有电子了！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，大约每1亿个粒子对于光子中，就会有一个额外的质子。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，产生核聚变。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秒的负贝塔衰变，转变为质子，同时释出一个电子和一个反电中微子：

；

其中，

代表中子，

代表质子，

代表反电中微子。

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聚变，会造成正子的生成（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，同时释放伽马射线。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塔衰变，同时发射出一个电子和一个反电中微子结果是电子数目增加，跟中子数目对应地减少。例如，钴-60（60Co）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生成于黑洞的事件视界，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，生成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。这过程称为量子隧穿效应。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。这辐射程序称为霍金辐射。在另一方面，这程序的代价是，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，超大的发射率可以类比于一个大爆炸。

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 × 1020 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，会生成一射丛的粒子，包括π介子。μ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μ子。半衰期为2.2微秒的μ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μ子，

是μ中微子，

是反μ中微子，

是反电中微子。

4、观测

等离子体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等离子体材料的性质有关，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等离子体。电子气体的等离子体振荡是一种波动，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，电子与其它粒子的相互作用，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讯影像。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。

5、应用领域

电子束

在一次美国国家航空航天局的风洞试验中，电子束射向航天飞机的迷你模型，模拟返回大气层时，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107瓦特／厘米2能量密度的热能，聚焦于直径为0.3–1.3毫米的微小区域。使用这技术，技工可以焊接更深厚的物件，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毫米的蚀刻半导体的方法。这种技术的缺点是成本高昂、程序缓慢、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纳米。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厘米的生物体），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-特诺夫效应。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

低能电子衍射技术（LEED）照射准直电子束（collimated electron beam）于晶体物质，然后根据观测到的衍射图样，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。反射高能电子衍射（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资料。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相互作用，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，因受到衍射限制，只能达到200纳米；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纳米。像差修正穿透式电子显微镜能够将分辨率降到低于0.05纳米，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元件。扫描电子显微镜用聚焦的电子束扫描过样品，就好像在显示机内的光栅扫描。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。应用量子隧穿效应，扫描隧道显微镜将电子从尖锐的金属针尖隧穿至样品表面。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。

自由电子激光

在自由电子激光里，相对论性电子束会移动通过一对波荡器。每一个波荡器是由一排磁偶极矩组成，其磁场的磁偶极矩交替地指向相反方向。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相互作用，会在共振频率引起辐射场的强烈放大。自由电子激光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。这元件可以应用于制造业、通讯业和各种医疗用途，像软组织手术。

现阶段已运行的自由电子激光有美国斯坦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激光（Free-electron LASer in Hamburg, FLASH）与正在建造的欧洲X射线自由电子激光（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激光装置。

其它

阴极射线管的核心概念为，洛伦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，这元件现在已被晶体管一类的固态电子元件取代了。