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副標題 :

作者 : 史提夫.派克

分類 : 電.

關鍵字 : 物理科.

電子(英語:electron)是一種帶有負電的亞原子粒子,通常標記為 。電子屬於輕子類,以重力、電磁力和弱核力與其它粒子相互作用。輕子是構成物質的基本粒子之一,即其無法被分解為更小的粒子。電子帶有1/2自旋,是一種費米子。因此,根據包立不相容原理,任何兩個電子都不能處於同樣的狀態。電子的反粒子是正子,其質量、自旋、帶電量大小都與電子相同,但是電量正負性與電子相反。電子與正子會因碰撞而互相湮滅,在這過程中,創生一對以上的光子。
由電子與中子、質子所組成的原子,是物質的基本單位。相對於中子和質子所組成的原子核,電子的質量顯得極小。質子的質量大約是電子質量的1842倍。當原子的電子數與質子數不等時,原子會帶電;稱這原子為離子。當原子得到額外的電子時,它帶有負電,叫陰離子,失去電子時,它帶有正電,叫陽離子。若物體帶有的電子多於或少於原子核的電量,導致正負電量不平衡時,稱該物體帶靜電。當正負電量平衡時,稱物體的電性為電中性。靜電在日常生活中有很多用途,例如,靜電油漆系統能夠將瓷漆(英語:enamel paint)或聚氨酯漆,均勻地噴灑於物品表面。
電子與質子之間的吸引性庫侖力,使得電子被束縛於原子,稱此電子為束縛電子。兩個以上的原子,會交換或分享它們的束縛電子,這是化學鍵的主要成因。當電子脫離原子核的束縛,能夠自由移動時,則改稱此電子為自由電子。許多自由電子一起移動所產生的淨流動現象稱為電流。在許多物理現象裏,像電傳導、磁性或熱傳導,電子都扮演了機要的角色。移動的電子會產生磁場,也會被外磁場偏轉。呈加速度運動的電子會發射電磁輻射。
根據大爆炸理論,宇宙現在所存在的電子,大部份都是創生於大爆炸事件。但是,有一小部份是因為放射性物質的β衰變或高能量碰撞而創生的。例如,當宇宙線進入大氣層時遇到的碰撞。在另一方面,許多電子會因為與正子相碰撞而互相湮滅,或者,會在恆星內部製造新原子核的恆星核合成過程中被吸收。
在實驗室裏,精密的尖端儀器,像四極離子阱(英語:quadrupole ion trap),可以長時間局限電子,以供觀察和測量。大型托卡馬克設施,像國際熱核聚變實驗反應堆,藉?局限電子和離子等離子體,來實現受控核聚變。無線電望遠鏡可以用來偵測外太空的電子等離子體。
電子的應用領域很多,像電子束焊接、陰極射線管、電子顯微鏡、放射線治療、激光和粒子加速器等等。
早在古希臘時期,人們就發現摩擦過的琥珀(古希臘語:?λεκτρον ,"?lektron")能吸引輕小物體,他們稱這種現象為電(electricity)。
在中國,古人王充所著書籍《論衡》(約公元一世紀,即東漢時期)中有關於靜電的記載:「頓牟掇芥」,頓牟就是琥珀,當琥珀經摩擦後,即能吸引像草芥一類的輕小物體。但古文對於電並沒有更深入的了解。
探索與發現
英國人威廉·吉爾伯特、法國人查爾斯·篤費(英語:Charles du Fay)等先後研究和發表了許多關於電的現象和電的特性。但是他們都是通過摩擦的方法產生的電,並且都沒有辦法存儲住大量的電荷。一直到荷蘭萊頓大學的物理學教授彼德·馬森布羅克(英語:Pieter van Musschenbroek)發明出了用電容原理儲存電荷的萊頓瓶,才為人類進一步研究打下基礎。
到18世紀,美國人本傑明·富蘭克林意識到閃電與摩擦起電是相似的過程,並且做風箏實驗證實。富蘭克林認為在正常狀況,每一種物質都含有固定比例的電量。假設,經過某種程序,促使物體得到更多電,則稱此物體帶正電;假設,經過另一種程序,促使物體失去電,則稱此物體帶負電。假設,這兩個物體互相接觸到對方,電流會從帶正電物體流往帶負電物體,這樣,設定了電流方向(與我們今天認識到的電子流動方向正好相反)。
在黑暗中,做摩擦起電的動作,就能夠看到電火花。空中的閃電也是有顏色的。可是要研究電流本身的顏色,必須有一個能夠提供長時間持續平穩電流的電源,並且,這電流必需是在真空中放電形成的才行。上述幾位研究者都無法得到這種電源,意大利人亞歷山德羅·伏打發明的伏打電堆則解決了這一問題。後來,麥可·法拉第又研究出更廉價的發電機,使得長時間維持大量電流變得更加容易。第二問題的解決則是由德國人海因里希·蓋斯勒(英語:Heinrich Geissler)完成,這位傑出的吹管工人,做成了一台以水銀的往複運動為原理的真空泵。他又利用這台真空泵,製造出當時世界上最純的真空管,後來稱為蓋斯勒管(英語:Geissler tube)。19世紀50年代,德國物理學家尤利烏斯·普呂克將一支空氣含量萬分之一的玻璃管兩端裝上兩根白金絲,並在兩電極之間通上高壓電,便出現了輝光放電(英語:Glow discharge)(Electric glow discharge)現象。普呂克和他的學生約翰·希托夫(英語:Johann Wilhelm Hittorf)發現,輝光是在帶負電的陰極附近出現的。1858年,普呂克報告了這一現象,並且提出富蘭克林的猜測是錯誤的--即電荷是從陰極發射到陽極而不是相反。可是那輝光的本質到底是不是電流,普呂克還不能確定,他認為可能是稀薄氣體或是電極上脫落下來的金屬。
德國人尤金·高德斯坦(英語:Eugen Goldstein)後來將不同的氣體釋入真空管,並且用不同的金屬做電極,但都得到同樣的實驗結果。於是,他認為這種輝光與電流本身有關,並且將它命名為陰極射線。普呂克的學生希托夫繼續了老師的實驗。他將真空管做成圓球狀並且在陰極與陽極之間放置了十字形的金屬箔片,在陽極的位置果然出現了十字形陰影,這說明從陰極確實發射出了一些東西(現在我們知道這就是電子)。他還發現即使將金屬換成透明的雲母也能產生陰影--這說明這種輝光不同於可見光。然而,要做出進一步的研究需要真空度更高的真空管。
英國人威廉·克魯克斯在1878年利用一種水銀真空泵,製造出了氣體含量僅為蓋斯勒管1/75000的真空管,被稱作克魯克斯管。克魯克斯注意到,當逐漸抽出克魯克斯管內的氣體時,陰極附近開始出現黑暗區域,隨?真空度的增加,這黑暗區域也會擴張。克魯克斯提議,這黑暗區域的寬度與陰極粒子的平均自由徑有關;黑暗區域與輝光區域的界面,即為粒子與氣體分子相互碰撞的起始面;在黑暗區域內,沒有什麼碰撞;而在輝光區域,發生了很多碰撞事件;在管面的螢光,則是因為粒子與管面發生碰撞。
克魯克斯等英國物理學家認為陰極射線並不是射線,而是一種帶電粒子。這觀點遭到了以海因里希·赫茲為首的德國物理學家的反對。赫茲的學生德國物理學家菲利普·萊納德在1889年進行了一個實驗:他在陽極安裝了薄鋁箔窗,這樣就能把陰極射線導出到空氣中。赫茲提出,陰極射線能夠穿過薄金屬箔,因此它不可能是粒子(事實上,如果金屬箔足夠薄,光線同樣也能通過)。同時,赫茲還在真空管的兩側施加了電場,結果發現並沒有觀察到預期的偏轉(赫茲的電場加得不夠大,偏轉難以觀察到,用磁場會產生更好的效果),這更加堅定了他的信念。
 
 
約瑟夫·湯姆生,電子的發現者。
1895年,讓·佩蘭發現陰極射線能夠使真空管中的金屬物體帶上負電荷,支持了克魯克斯的理論。1897年,劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·湯姆生重做了赫茲的實驗。使用真空度更高的真空管和更強的電場,他觀察出陰極射線的偏轉,並計算出了陰極射線粒子(電子)的電荷質量比,因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。湯姆生採用1891年喬治·斯托尼(英語:George Johnstone Stoney)所起的名字--電子來稱呼這種粒子。至此,電子做為人類發現的第一個亞原子粒子和打開原子世界的大門被湯姆生發現了。
於1896年,在研究天然發螢光礦石的時候,法國物理學家亨利·貝克勒爾發現,不需要施加外能源,這些礦石就會自然地發射輻射。這些放射性物質引起許多科學家的興趣,包括發現這些放射性物質會發射粒子的紐西蘭物理學家歐尼斯特·盧瑟福。按照這些粒子穿透物質的能力,盧瑟福替這些粒子分別取名為阿爾法粒子和貝塔粒子(「阿爾法」是希臘字母的第一個字母「α」,「貝塔」是第二個字母「β」)。於1900年,貝克勒爾發現,鐳元素發射出的貝塔射線,會被電場偏轉;還有,貝塔射線和陰極射線都有同樣的電荷質量比。這些證據使得物理學家更強烈地認為電子本是原子的一部分,貝塔射線就是陰極射線。
於1909年,美國物理學家羅伯特·密立根做了一個著名實驗,稱為油滴實驗,可以準確地測量出電子的帶電量。在這實驗裏,他使用電場的庫侖力來抵銷帶電油滴所感受到的重力。從電場強度,他計算出油滴的帶電量。他的儀器可以準確地測量出含有1到150個離子的油滴的帶電量,而且實驗誤差可以限制到低於0.3%。他發現每一顆油滴的帶電量都是同一常數的倍數,因此,他推論這常數必是電子的帶電量。湯姆生和學生約翰·湯森德(英語:John Townsend)使用電解的離子氣體來將過飽和水蒸氣凝結,經過測量帶電水珠粒的帶電量,他們也得到了相似結果。於1911年,亞伯蘭·約費(英語:Abram Ioffe)使用帶電金屬微粒,獨立地得到同樣的結果。但是,油滴比水滴更穩定,油滴的蒸發率較低,比較適合更持久的精準實驗。
二十世紀初,實驗者發現,快速移動的帶電粒子會在經過的路徑,使過冷卻、過飽和的水蒸氣凝結成小霧珠。於1911年,查爾斯·威爾森應用這理論設計出雲室儀器。這奇妙的發明使得實驗者能夠用照相機拍攝到快速移動電子的軌道,成為早期研究基本粒子的重要方法。
原子理論

原子的玻爾模型示意圖,顯示出以主量子數 標記的三個量子態能級。當一個電子從能級較高的量子態,躍遷至能級較低的量子態時,會發射一個光子;這光子的能量等於兩個量子態的能級差額。
在不同的時代,人們對電子在原子中的存在方式有過各種不同的推測。
最早的原子模型是湯姆生的梅子布丁模型。發表於1904年,湯姆生認為電子在原子中均勻排列,就像帶正電布丁中的帶負電梅子一樣。1909年,著名的盧瑟福散射實驗徹底地推翻了這模型。
盧瑟福根據他的實驗結果,於1911年,設計出盧瑟福模型。在這模型裏,原子的絕大部分質量都集中於小小的原子核,原子的絕大部分都是真空。而電子則像行星圍繞太陽運轉一樣圍繞?原子核運轉。這一模型對後世產生了巨大影響,直到現在,許多高科技組織和單位仍然使用電子圍繞?原子核的原子圖像來代表自己。
在古典力學的框架之下,行星軌道模型有一個嚴重的問題不能解釋:呈加速度運動的電子會產生電磁波,而產生電磁波就要消耗能量;最終,耗盡能量的電子將會一頭撞上原子核(就像能量耗盡的人造衛星最終會進入地球大氣層)。於1913年,尼爾斯·玻爾提出了玻爾模型。在這模型中,電子運動於原子的某一特定的軌域。距離原子核越遠,軌域的能量就越高。當電子從距離原子核更遠的軌域,躍遷到距離原子核更近的軌域時,會以光子的形式釋放出能量。相反的,從低能級軌域躍遷到高能級軌域則會吸收能量。藉?這些量子化軌域,玻爾正確地計算出氫原子光譜。但是,使用玻爾模型,並不能夠解釋譜線的相對強度,也無法計算出更複雜原子的光譜。這些難題,尚待後來量子力學的解釋。
1916年,美國物理化學家吉爾伯特·路易士成功地解釋了原子與原子之間的相互作用。他建議兩個原子之間一對共用的電子,稱為電子對,形成了共價鍵。於1923年,沃爾特·海特勒(英語:Walter Heitler)和弗里茨·倫敦(英語:Fritz London)應用量子力學理論,完整地解釋清楚電子對產生和化學鍵形成的原因。於1919年,歐文·朗繆爾將路易士的立方原子模型(英語:cubical atom)加以發揮,建議所有電子都分佈於一層層同心的(接近同心的)、等厚度的球形殼。他又將這些球形殼分為幾個部分,每一個部分都含有一對電子。使用這模型,他能夠解釋週期表內每一個元素的週期性化學性質。
1924年,奧地利物理學家沃爾夫岡·包立用一組參數來解釋原子的殼層結構。這一組的四個參數,決定了電子的量子態。每一個量子態只能容許一個電子佔有。(這禁止多於一個電子佔有同樣的量子態的規則,稱為包立不相容原理)。這一組參數的前三個參數分別為主量子數、角量子數和磁量子數。第四個參數只能有兩種選擇。於1925年,荷蘭物理學家撒姆爾·高斯密特(英語:Samuel Goudsmit)和喬治·烏倫貝克提出了第四個參數所代表的物理機制。他們認為電子,除了運動軌域的角動量以外,可能會擁有內在的角動量,稱為自旋;這性質可以用來解釋先前在實驗裡,用高解像度光譜儀觀測到的神秘的精細結構分裂,即原子譜線從先前的一條線分裂成數條線。
量子力學
1924年,法國物理學家路易·德布羅意在他的博士論文《量子理論研究》(《Recherches sur la th?orie des quanta》)裏,提出了德布羅意假說,假設所有物質都擁有類似光波的波動性質。按照這假設,給予適當的條件,電子和其它物質會顯示出波動的性質。假若,物理實驗能夠顯示出,隨?時間演化,物體移動於空間軌道的局域位置,則這實驗明確地顯示了粒子性質。假若,物理實驗能夠顯示出,粒子通過狹縫後,會產生干涉圖樣於偵測屏障,則這實驗明確地顯示了波動性質。1927年,英國物理學家喬治·湯姆生用金屬薄膜,美國物理學家克林頓·戴維森和雷斯特·革末用鎳晶體,分別將電子的干涉效應顯示於偵測屏障。

在量子力學裏,束縛於原子內部的電子的物理行為可以用原子軌域來描述,這軌域並不是軌道,而是機率幅。機率分佈是機率幅絕對值的平方。此圖顯示1s原子軌域。某位置的色彩濃淡表示電子處於那位置的相對機率。
德布羅意的博士論文給予埃爾溫·薛定諤莫大的啟示:既然粒子具有波動性,那必定有一個波動方程式,能夠完全地描述這粒子的波動行為。1926年,薛定諤提出了薛定諤方程式。這波動方程式能夠描述電子的波動行為。它並不能命定性地給出電子的明確運動軌道,電子在任意時間的位置。但是,它可以計算出電子處於某位置的機率,也就是說,在某位置找到電子的機率。薛定諤用自己想出的方程式來計算氫原子的譜線,得到了與用玻爾模型的預測雷同的答案。再進一步將電子的自旋和幾個電子的互相作用納入考量,薛定諤方程式也能夠給出電子在其它原子序較高的原子內的電子組態。薛定諤的點子,為量子力學創立了一個嶄新的發展平台。
1928年,保羅·狄拉克發表了狄拉克方程式。這公式能夠描述相對論性電子的物理行為。相對論性電子是移動速度接近光速的電子。為了要解釋狄拉克方程式的自由電子解所遇到的反常的負能量態問題,狄拉克提出了一個真空模型,稱為狄拉克之海,即真空是擠滿了具有負能量的粒子的無限海。因此,他預言宇宙中存在有正子(電子的反物質搭配)。1932年,卡爾·安德森在宇宙射線實驗中首先證實了正子的存在。
1947年,威利斯·蘭姆在與研究生羅伯特·雷瑟福(Robert Retherford)合作的實驗中,發現氫原子的某些應該不會有能量差值的簡併態,竟然出現很小的能量差值。這現象稱為蘭姆位移。大約同年代,波利卡普·庫施和亨利·福立(英語:Henry Foley)在共同完成的一個實驗中,發現電子的異常磁矩(英語:anomalous magnetic dipole moment),即電子的磁矩比狄拉克理論的預估稍微大一點。為了解釋這些現象,朝永振一郎、朱利安·施溫格和理察·費曼,於1940年代,創建了量子電動力學。
粒子加速器
二十世紀的前半世紀,粒子加速器運作所需的理論與設備都已發展成熟。物理學家已經準備好更進一步地研究亞原子粒子的性質。1942年,唐納德·克斯特(英語:Donald Kerst)首先成功地使用電磁感應將電子加速至高能量。在他領導下,貝塔加速器最初的能量達到2.3百萬電子伏(MeV);後來,能量更達到300MeV。1947年,在通用電器實驗室,使用一台70MeV電子同步加速器,物理學家發現了同步輻射,即移動於磁場的相對論性電子因為加速度而發射的輻射。
1968年,第一座粒子束能量高達1.5吉電子伏(GeV),名為大儲存環對撞機(英語:ADONE)的粒子對撞機(英語:particle collider),在意大利的核子物理國家研究院(英語:Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)開始運作。這座對撞機能夠將電子和正子反方向地分別加速。與用電子碰撞一個靜止標靶相比較,這方法能夠有效地使碰撞能量增加一倍。從1989年運行到2000年,位於瑞士日內瓦近郊的歐洲核子研究組織的大型電子正子對撞機,能夠實現高達209GeV的碰撞能量。這對撞機曾經完成多項實驗,對於考練與核對粒子物理學的標準模型的正確性有很大的貢獻。

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出版商 漢聲
出版年份 1999
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