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電子(Electron)是一種帶有負電的亞原子粒子,通常標記為 e- 。電子屬於輕子類,是第一代中文維基百科未有第一代頁面,可參考英語維基百科的對應頁面generation (particle physics)。輕子家族的成員,以引力、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,任何兩個電子都不能處於同樣的量子態,這性質稱為泡利不相容原理。 電子的反粒子是正子,它的質量、自旋、絕對電量都與電子相同,但是電性與電子相反。電子與正子會因碰撞而互相湮滅,在這過程中,創生一對以上的伽瑪射線光子。

1 電子 -電子的字詞解釋

英文解釋

英文解釋:electron,electronic  

 n.   電子   electron   e.lec.tron  

電子電子-內部結構模型圖

 n.Abbr. e(名詞)縮寫 e  

 A stable subatomic particle in the lepton family having a rest mass of 9.1066 × 10-28 gram and a unit negative electric charge of approximately 1.602 × 10 -19 coulomb. See table at subatomic particle   electr(ic)   electr(ic)   -on 1   -on1   electron   e.lec.tron   n.Abbr. e

中文解釋: 電子:輕子族裡一種穩定的亞原子粒子[6],其靜止質量為0克,負電荷大約1.602×10 的-19次方庫侖 參見 subatomic particle

2 電子 -歷史發現

電子生於十八世紀,富蘭克林對於電學貢獻良多

早在古希臘時期,人們就發現摩擦過的琥珀(希臘語 ήλεκτρον / ēlektron )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,當琥珀經摩擦后,即能吸引像草芥一類的輕小物體。但古代中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·杜菲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。但是上述幾位研究者都無法得到這電源。義大利人亞歷山德羅·伏打發明的伏打電堆解決了這一問題。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。19世紀50年代,德國物理學家尤利烏斯·普呂克助手模板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,便出現了輝光放電現象。普呂克和他的學生約翰·希托夫發現,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要真空度更高的真空管才行。

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,被人們稱作克魯克斯管的真空管。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,隨著真空度的增加,這黑暗區域也會擴張。克魯克斯認為,這現象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。

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·湯姆遜重做了赫茲的實驗。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)的質量-電荷比例,因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。湯姆遜採用1891年喬治·斯托尼所起的名字——電子來稱呼這種粒子。至此,電子作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孫發現了。

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伐粒子和貝他粒子(「阿伐」是希臘字母的第一個字母「α」,「貝他」是第二個字母「β」)。於 1900 年,貝克勒爾發現,鐳元素髮射出的貝他射線,會被電場偏轉;還有,貝他射線和陰極射線都有同樣的質量-電荷比例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,貝他射線就是陰極射線。

美國物理學家羅伯特·密立根於 1909 年做了一個著名實驗,準確地測量出電子的帶電量。這實驗稱為油滴實驗。在這實驗里,他使用電場的庫侖力來平衡帶電油滴所感受到的引力。從電場強度,他計算出油滴的帶電量。他的儀器可以測量出含有 1–150 個離子的油滴的帶電量,誤差小於 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。湯姆孫和學生約翰·湯森德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,他也得到了相似結果。於1911 年,亞伯蘭·約費Abram Ioffe。使用帶電金屬微粒子,獨立地得到同樣的結果.他發表這結果於 1911 年。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,應用這理論,查爾斯·威耳遜設計出雲室儀器。實驗者可以用照相機拍攝快速移動電子的軌道。這是早期研究基本粒子的重要儀器。

原子理論
電子約瑟夫•湯姆遜,電子的發現者

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孫的梅子布丁模型。發表於 1904 年,湯姆孫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。在這模型里,原子的絕大部分質量都集中在小小的原子核中,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著原子核運轉。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著原子核的原子圖像來代表自己。

在經典力學的框架之下,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,電子運動於原子核外某一特定的軌域。距離原子核越遠的軌域能量越高。電子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,從低能級軌域到高能級軌域則會吸收能量。藉著這些量子化軌域,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形成了共價鍵。於 1923 年,沃爾特·海特勒Walter Heitler。和弗里茨·倫敦Fritz London。應用量子力學的理論,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,他能夠解釋周期表內每一個元素的周期性化學性質。

於 1924 年,奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利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,稱為泡利不相容原理)。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。第四個參數可以有兩個不同的數值。於 1925 年,荷蘭物理學家撒姆耳·高斯密特Samuel Abraham Goudsmit。和喬治·烏倫貝克George Uhlenbeck。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,可以用來解釋先前在實驗里,用高解析度光譜儀觀測到的神秘的譜線分裂。這現象稱為精細結構分裂。

量子力學

於1924 年,法國物理學家路易·德布羅意在他的博士論文《Recherches sur la théorie des quanta》(《Research on Quantum Theory》) 里,提出了德布羅意假說,假設所有物質都擁有像光子一樣的波粒二象性;也就是說,在適當的條件下,電子和其它物質會顯示出粒子或波動的性質。假若,物理實驗能夠顯示出,隨著時間演化,粒子運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。像光波一類的波動,通過雙縫實驗的雙縫后,會產生干涉圖案於探測屏障。這現象毫無疑問地分辨出波動性質。於1927 年,英國物理學家喬治·湯姆孫用金屬薄膜,美國物理學家柯林頓·戴維孫和雷斯特·革末用鎳晶體,分別發現了電子的干涉效應。

德布羅意的博士論文給予埃爾溫·薛定諤很大的啟示:既然粒子具有波動性,那必定有一個波動方程,能夠完全地描述這粒子的物理行為。於 1926 年,薛定諤想出了薛定諤方程。這方程能夠描述電子波的傳播機制。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幾率,也就是說,在某位置找到電子的幾率。薛定諤用自己想出的方程來計算氫原子的譜線,得到了與用玻爾模型的預測相同的答案(更詳細資料,請參閱氫原子)。薛定諤方程的波動概念,為量子力學創立了一個新的發展平台。再進一步將電子的自旋和幾個電子的互相作用納入考量,薛定諤方程也能夠給出電子在其它原子序較高的原子內的電子組態。

於1928 年,保羅·狄拉克研究出狄拉克方程。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的速度接近光速的電子。為了要解釋狄拉克方程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形,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)。於 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。

於 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·庫施助手模板和亨利·福立Henry Foley。在共同完成的一個實驗中,發現電子的異常磁矩,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。物理學家可以開始更進一步的研究亞原子粒子的性質。1942 年,唐納德·克斯特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,貝他加速器最初的能量達到2.3 MeV ;後來,能量更達到 300 MeV 。1947 年,在通用電器實驗室,使用一台70 MeV 電子同步加速器,物理學家發現了同步輻射,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 GeV 的粒子對撞機,名為大儲存環對撞機ADONE。,在義大利的核子物理國家研究院。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對撞能量增加一倍。從 1989 年運做到 2000 年,位於瑞士日內瓦近郊,歐洲核子研究組織的大型電子正子對撞器,能夠實現高達 209 GeV 的對撞能量。這對撞器曾經完成多項實驗,對於考練與核對粒子物理學的標準模型的正確性有莫大的貢獻。

3 電子 -物理特性

分類

在粒子物理學里,根據標準模型,電子屬於亞原子粒子中的輕子類。電子是基本粒子。在所有帶電的輕子中,電子的質量最小,屬於第一代基本粒子。渺子和陶子分別為第二代和第三代的輕子。它們的電荷量、自旋和基本相互作用,都與電子相同;質量都大於電子。輕子與夸克的主要不同點是輕子不以強核力與其它粒子相互作用。輕子的自旋是半奇數。凡是自旋為半奇數的粒子都是費米子。所以,輕子是費米子。電子的自旋是1/2 。

基本性質

電子的質量大約為 9.109 × 10-31 公斤或 5.489 × 10-4 amu。根據阿爾伯特·愛因斯坦的質能等價原理,這質量等價於 0.511 MeV 靜止能量。質子質量大約為電子質量的 1836 倍。天文測量顯示出,至少在最近這半個宇宙的年齡期間,這質量比例都保持穩定不變,就如同標準模型所預測的一樣。

電子帶有的電量是基本電荷電量: -1.602 × 10-19 庫侖。這是亞原子粒子所使用的電荷單位的電量。有些物理學家會提出疑問:電子與質子的絕對帶電量是否有可能不相等?很遺憾的是,選用最尖端、最準確的儀器於精心設計的實驗,物理學家仍舊無法對這疑問給予明確的解答。基本電荷通常用符號 表示。電子用符號 e-表示;正子用符號e+ 表示;其中,正負號分別表示帶有正負電荷。除了帶有電荷的正負號不同以外,正子與電子的其它性質都相同。

4 電子 -運動

電荷的最終攜帶著是組成原子的微小電子。在原子中,每個繞原子核運動的電子都帶有一個單位的負電荷,而原子核裡面的質子帶有一個單位的正電荷。正常情況下,在物質中電子和枝子的數目是相等的,它們攜帶的電荷相平衡,物質呈中型。物質在經過摩擦后,要麼會失去電子,留下更多的正電荷(質子比電子多)。要麼增加電子,獲得更多的負電荷(電子比質子多)。這個過程稱為摩擦生電。

自由電子(從原子沖逃逸出來的電子)能夠在導體的原子之間輕易移動,但它們在絕緣體中不行。於是,物體在摩擦時傳遞到導體上的電荷會被迅速中和,因為多餘的電子會從物質表面流走,或者額外的電子會被吸附到物體表面上代替流失的電子。所以,無論摩擦多麼劇烈,金屬都不可能摩擦生電。但是,橡膠或塑料這樣的絕緣體,在摩擦之後,其表面就會留下電荷。

電子的運動與宏觀物體運動區別的幾大特徵:
(1)、質量很小(9.109×10-31kg);
(2)、帶負電荷;
(3)、運動空間範圍小(直徑約10-10m) ;
(4)、運動速度快(10-6m)。電子的運動特徵就與宏觀物體的運動有著極大的不同----它沒有確定的軌道。因此科學家主要採用建立模型的方法對電子的運動情況進行研究。

5 電子 -排布規律

1、電子是在原子核外距核由近及遠、能量由低至高的不同電子層上分層排布;
2、每層最多容納的電子數為n的平方的二倍個(n代表電子層數);
3、最外層電子數不超過8個(第一層不超過2個),次外層不超過18個,倒數第三層不超過32個。
4、電子一般總是儘先排在能量最低的電子層里,即先排第一層,當第一層排滿后,再排第二層,第二層排滿后,再排第三層。
電子在原子核外空間一定範圍內出現,可以想象為一團帶負電的雲霧籠罩在原子核周圍,所以,人們形象地把它叫做「電子云」。

6 電子 -觀測

遠距離地觀測電子的各種現象,主要是依靠探測電子的輻射能量。例如,在像恆星日冕一類的高能量環境里,自由電子會形成一種藉著制動輻射來輻射能量的等離子。電子氣體的等離子振蕩。是一種波動,是由電子密度的快速震蕩所產生的波動。這種波動會造成能量發射。天文學家可以使用無線電望遠鏡來探測這能量。

根據普朗克關係式,光子的頻率與能量成正比。當一個束縛電子躍遷於原子的不同能級的軌域之間時,束縛電子會吸收或發射具有特定頻率的光子。例如,當照射寬頻光譜的光源於原子時,很明顯特別的吸收光譜會出現於透射輻射的光譜。每一種元素或分子會顯示出一組特別的吸收光譜,像氫光譜。光譜學專門研究測量這些譜線的強度和寬度。細心分析這些數據,即可得知物質的組成元素和物理性質。

在實驗室操控條件下,電子與其它粒子的相互作用,可以用粒子探測器。來仔細觀察。電子的特徵性質,像質量、自旋和電荷等等,都可以加以測量檢驗。四極離子阱和潘寧阱。可以長時間地將帶電粒子限制於一個很小的區域。這樣,科學家可以準確地測量帶電粒子的性質。例如,在一次實驗中,一個電子被限制於潘寧阱的時間長達 10 個月之久。1980 年,電子磁矩的實驗值已經準確到 11 個位數。在那時候,是所有測得的物理常數中,最準確的一個。

於2008 年2 月,隆德大學的一組物理團隊首先拍攝到電子能量分佈的視訊影像。科學家使用非常短暫的閃光,稱為阿托秒。脈衝,率先捕捉到電子的實際運動狀況。

在固態物質內,電子的分佈可以用角分辨光電子譜來顯像。應用光電效應理論,這科技照射高能量輻射於樣品,然後測量光電發射的電子動能分佈和方向分佈等等數據。仔細地分析這些數據,即可推論固態物質的電子結構。

7 電子 -應用領域

電子束
在一次美國國家航空航天局的風洞中文維基百科未有風洞頁面,可參考英語維基百科的對應頁面wind tunnel。試驗中,電子束射向太空梭的迷你模型,模擬返回大氣層時,太空梭四周的遊離氣體。在一次美國國家航空航天局的風洞中文維基百科未有風洞頁面,可參考英語維基百科的對應頁面wind tunnel。試驗中,電子束射向太空梭的迷你模型,模擬返回大氣層時,太空梭四周的遊離氣體。

電子束科技,應用於焊接,稱為電子束焊接。這焊接技術能夠將高達 107 W cm−2 能量密度的熱能,聚焦於直徑為 0.3–1.3 mm 的微小區域。使用這技術,技工可以焊接更深厚的物件,限制大部分熱能於狹窄的區域,而不會改變附近物質的材質。為了避免物質被氧化的可能性,電子束焊接必須在真空內進行。不適合使用普通方法焊接的傳導性物質,可以考慮使用電子束焊接。在核子工程和航天工程里,有些高價值焊接工件不能忍受任何缺陷。這時候,工程師時常會選擇使用電子束焊接來完成任務。

電子束平版印刷術是一種解析度小於一毫米的蝕刻半導體的方法。這種技術的缺點是成本高昂、程序緩慢、必須操作於真空內、還有,電子束在固體內很快就會散開,很難維持聚焦。最後這缺點限制住解析度不能小於 10 nm 。因此,電子束平版印刷術主要是用來製備少數量特別的集成電路。

技術使用電子束來照射物質。這樣,可以改變物質的物理性質或滅除醫療物品和食品所含有的微生物。做為放射線療法的一種,直線型加速器。製備的電子束,被用來照射淺表性腫瘤。由於在被吸收之前,電子束只會穿透有限的深度(能量為 5–20 MeV 的電子束通常可以穿透 5 cm 的生物體),電子束療法可以用來醫療像基底細胞癌一類的皮膚病。電子束療法也可以輔助治療,已被X-射線照射過的區域。

粒子加速器使用電場來增加電子或正子的能量,使這些粒子擁有高能量。當這些粒子通過磁場時,它們會放射同步輻射。由於輻射的強度與自旋有關,因而造成了電子束的偏振。這過程稱為索克洛夫-特諾夫效應。很多實驗都需要使用偏振的電子束為粒子源。同步輻射也可以用來降低電子束溫度,減少粒子的動量偏差。一當粒子達到要求的能量,使電子束和正子束髮生互相碰撞與湮滅,這會引起高能量輻射發射。探測這些能量的分佈,物理學家可以研究電子與正子碰撞與湮滅的物理行為。

成像

低能電子衍射技術 (LEED) 照射准直電子束於晶體物質,然後根據觀測到的衍射圖案,來推斷物質結構。這技術所使用的電子能量通常在 20–200 eV 之間[83]。反射高能電子衍射(RHEED) 技術以低角度照射准直電子束於晶體物質,然後搜集反射圖案,從而推斷晶體表面的資料。這技術所使用的電子的能量在 8–20 keV 之間,入射角度為 1–4° 。

電子顯微鏡將聚焦的電子束入射於樣本。由於電子束與樣本的相互作用,電子的性質會有所改變,像移動方向、相對相位和能量。細心地分析這些數據,即可得到解析度為原子尺寸的樣本影像。使用藍色光,普通的光學顯微鏡的解析度,因受到衍射限制,大約為 200 nm;相互比較,電子顯微鏡的解析度,則是受到電子的德布羅意波長限制,對於能量為 100 keV 的電子,解析度大約為 0.0037 nm。像差修正穿透式電子顯微鏡。能夠將解析度降到低於 0.05 nm ,足夠清楚地觀測個別原子。這能力使得電子顯微鏡成為,在實驗室里,高解析度成像不可缺少的儀器。但是,電子顯微鏡的價錢昂貴,保養不易;而且由於操作時,樣品環境需要維持真空,科學家無法觀測活生物。

電子顯微鏡主要分為兩種類式:穿透式和掃描式。穿透式電子顯微鏡的操作原理類似高架式投影機,將電子束對準於樣品切片發射,穿透過的電子再用透鏡投影於底片或電荷耦合元件。掃描電子顯微鏡用聚焦的電子束掃描過樣品,就好像在顯示機內的光柵掃描。這兩種電子顯微鏡的放大率可從 100 倍到 1,000,000 倍,甚至更高。應用量子隧穿效應,掃描隧道顯微鏡將電子從尖銳的金屬針尖隧穿至樣品表面。為了要維持穩定的電流,針尖會隨著樣品表面的高低而移動,這樣,即可得到解析度為原子尺寸的樣本表面影像。

自由電子雷射

自由電子雷射將相對論性電子束通過一對波盪器。每一個波盪器是由一排交替方向的磁場的磁偶極矩組成。由於這些磁場的作用,電子會發射同步輻射;而這輻射會同調地與電子相互作用。當頻率匹配共振頻率時,會引起輻射場的強烈放大。自由電子雷射能夠發射同調的高輻射率的電磁輻射,而且頻域相當寬廣,從微波到軟 X-射線。不久的將來,這儀器可以應用於製造業、通訊業和各種醫療用途,像軟組織手術。

其它

陰極射線管的核心概念為,洛倫茲力定律的應用於電子束。陰極射線管廣泛的使用於實驗式儀器顯示器,電腦顯示器和電視。在光電倍增管內,每一個擊中光陰極的光子會因為光電效應引起一堆電子被發射出來,造成可探測的電流脈波。曾經在電子科技研發扮演重要的角色,真空管藉著電子的流動來操縱電子信號;但是,這元件現在已被晶體管一類的固態電子元件取代了。

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