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「電子」の版間の差分

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{{Redirect|ネガトロン|ヴォイヴォドのアルバム|ネガトロン (アルバム)}}
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-->
{{Infobox particle
{{Infobox particle
|image_size = 280px
|背景色=
|型数 =
|名前= 電子
|組成 =
|画像= [[Image:Electron orbitals.svg|300px|]]
|統計 = [[フェルミ粒子]]<!-- [[:en:fermion|fermion]]ic -->
|説明= 核外電子の軌道の例 1sは最もエネルギー準位が低くすべての中性原子が備える。右下のπと書かれた軌道は[[ベンゼン]]などの分子に見られる。
|グループ = [[レプトン]] <!-- lepton -->
|組成= [[素粒子]]
|世代 = 第一世代<!-- first -->
|統計= [[フェルミ粒子]]
|相互作用 = [[弱い相互作用|弱い相互作用]], [[電磁相互作用|電磁気]], [[重力]]<!--[[:en:Weak interaction|weak]], [[:en:Electromagnetic interaction|electromagnetic]], [[:en:Gravitation|gravity]]-->
|グループ= [[レプトン (素粒子)|レプトン]]
|反粒子 = [[陽電子]]<!--[[:en:positron]]-->{{efn|陽電子は「反電子」と呼ばれることもある。<!-- The positron is occasionally called the 'anti-electron'. -->}}
|世代= 第一世代
|理論化 = {{ill2|リチャード・レミング|en|Richard Laming}}<!--[[:en:Richard Laming]]--> (1838–1851),<ref name=farrar/><br/>[[ジョージ・ジョンストン・ストーニー|G.ジョンストン・ストーニー]]<!--[[:en:George Johnstone Stoney|G. Johnstone Stoney]]--> (1874) など<!--and others.--><ref name=arabatzis/><ref name=buchwald1/>
|相互作用= [[弱い相互作用]]<br />[[電磁相互作用]]<br />[[重力相互作用]]
|発見 = [[ジョゼフ・ジョン・トムソン]]<!--[[:en:J. J. Thomson]]--> (1897)<ref name=thomson/>
|粒子=
|記号 = {{SubatomicParticle|e<!-- Electron-->}}, {{SubatomicParticle|β-<!-- beta- -->}}
|反粒子= [[陽電子]] ({{粒子の記号|link=yes|反e}})
|質量 = {{val|9.1093837015|(28)|e=-31|u=[[キログラム|kg]]}}<!--{{physconst|me}}--><br/>{{val|5.48579909065|(16)|e=-4|u=[[ダルトン|Da]]}}<!--{{physconst|me_Da}}--><br/> [{{val|1822.888486209|(53)}}]<sup>−1</sup>&nbsp;Da{{efn|分数版の分母は10進数値の逆数 (相対標準不確かさ{{val|2.9|e=-11}}を伴う) である。<!-- The fractional version's denominator is the inverse of the decimal value (along with its relative standard uncertainty of {{val|2.9|e=-11}}).-->}}<br/>{{val|0.51099895000|(15)|e=|u=[[電子ボルト#質量との換算|MeV/c<sup>2</sup>]]}}<!-- {{physconst|mec2_MeV|unit=no|after=&nbsp;{{val|ul=MeV/c2}}}} -->
|理論化= [[ウィリアム・クルックス]](1875年頃)
|電荷 = {{val|-1|ul=e}}<br/><!-- −{{physconst|e}} --> −{{val|1.602176634|e=-19|u=[[クーロン|C]]}}
|発見= [[ジョセフ・ジョン・トムソン]](1897年)
|磁気モーメント = −{{val|9.2847647043|(28)|e=-24|u=J/T}}<!-- {{physconst|mue}}--><br/>{{val|-1.00115965218128|(18)|u=[[:en:Bohr magneton|''µ''<sub>B</sub>]]}}<ref>{{cite web |url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?muemsmub |title=2018 CODATA Value: electron magnetic moment to Bohr magneton ratio |date=20 May 2019 |work=The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty |publisher=[[:en:National Institute of Standards and Technology|NIST]] |access-date=2022-11-15}}</ref>
|記号= '''{{粒子の記号|e}}'''
|スピン = {{sfrac| 1 |2}}&nbsp;[[:en:reduced Planck constant|''ħ'']]
|質量= {{val|9.1093837015|(28)|e=-31|u=kg}}{{R|me}}
|弱アイソスピン = {{nowrap|[[:en:Chirality (physics)|LH]]: −{{sfrac| 1 |2}}, [[:en:Chirality (physics)|RH]]: 0}}
{{val|0.51099895000|(15)|ul=MeV/c2}}<ref name="mec2"/>
|弱超電荷 = {{nowrap|[[:en:Chirality (physics)|LH]]: −1, [[:en:Chirality (physics)|RH]]: −2}}
|電荷 = &minus;{{mvar|[[電気素量|e]]}}<br />&minus;{{val|1.602176634|e=-19|u=C}}{{R|e}}
|平均寿命 = > {{val|6.6|e=28|u=years}}<ref name=bx2015>
|磁気モーメント = −{{val|9.2847647043|(28)|e=-24|u=J/T}}{{R|mue}}
{{cite journal
|色荷= 持たない
| last1= Agostini |first1=M.
|スピン= 1/2
| display-authors=etal
|レプトン数= 1
| collaboration=[[:en:Borexino|Borexino]] Collaboration
|バリオン数= 0
| year = 2015
|弱アイソスピン= {{nowrap|[[Chirality (physics)|LH]]: −1/2, [[Chirality (physics)|RH]]: 0}}
| title = Test of electric charge conservation with Borexino
|弱超電荷= LH: −1/2, RH: 0
| journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
| volume = 115 | issue = 23 | page = 231802
| doi = 10.1103/PhysRevLett.115.231802
| bibcode = 2015PhRvL.115w1802A
| arxiv = 1509.01223
| pmid = 26684111
| s2cid = 206265225
}}</ref> (stable)
|名前=電子<br /><small>Electron</small>
|画像=Atomic-orbital-clouds spd m0.png
|説明=エネルギー準位別の水素[[原子軌道]]。色が濃い<!--不透明な-->領域ほど電子が見つかりやすい。<!-- Hydrogen [[:en:atomic orbital|atomic orbital]]s at different energy levels. The more opaque areas are where one is most likely to find an electron at any given time. -->
|組成=[[素粒子]] <!-- [[:en:elementary particle]]--><ref name=prl50/>
}}
}}
{{標準模型}}
'''電子'''(でんし、{{lang-la-short}}{{lang-es-short}}{{Lang-en-short|electron}})とは、[[宇宙]]を構成する[[レプトン (素粒子)|レプトン]]に分類される[[素粒子]]である。素粒子[[標準模型]]では、第一世代の荷電レプトンに位置付けられる。電子は[[スピン角運動量|スピン]] 1/2 の[[フェルミ粒子]]であり、[[電荷]]は &minus;1 である。[[ワインバーグ=サラム理論]]における[[弱アイソスピン]]と[[弱超電荷]]は、左手電子が &minus;1/2, &minus;1/2 であり、右手電子は 0, &minus;1 である。記号は e あるいは右肩に&minus;を付け加え、e<sup>&minus;</sup>と表記されることもある。また、反粒子として[[陽電子]]も存在する。


'''電子'''(でんし、{{Lang-en-short|electron}}、'''{{SubatomicParticle|e<!-- Electron -->}}''' or '''{{SubatomicParticle|β-<!-- beta- -->}}''')は、負の[[電気素量|1電気素量]]を持つ[[亜原子粒子]]である<ref>
== 諸定数 ==
{{cite web
=== 電荷 ===
|last=Coffey |first=Jerry
電子の電荷は符号が負で大きさは[[電気素量]]に等しい。その値は
|date=2010-09-10
{{Indent|
|title=What is an electron?
<math>-e=-1.602~176~634\times 10^{-19}\ \text{C}</math>
|url=https://www.universetoday.com/73323/what-is-an-electron/
|access-date=10 September 2010 |url-status=live
|archive-url=https://web.archive.org/web/20121111231002/http://www.universetoday.com/73323/what-is-an-electron/
|archive-date=2012-11-11 |df=dmy-all
}}
}}
</ref>。電子は[[レプトン (素粒子)|レプトン]]粒子族の[[世代 (素粒子)|第一世代]]に属し<ref name="curtis74">
である<ref name="e">[[#nist|CODATA Value]]</ref>。電気素量のSI単位[[クーロン]]による値は定義値である。
{{cite book
| last = Curtis | first = L.J.
| year = 2003
| title = Atomic Structure and Lifetimes: A conceptual approach
| page = 74
| publisher = Cambridge University Press
| isbn = 978-0-521-53635-6
| url = https://books.google.com/books?id=KmwCsuvxClAC&pg=PA74
| access-date = 2020-08-25 | url-status = live
| archive-url = https://web.archive.org/web/20200316220442/https://books.google.com/books?id=KmwCsuvxClAC&pg=PA74
| archive-date = 2020-03-16
}}
</ref>、構成要素や内部構造が知られていないことから、一般に[[素粒子加速器|素粒子]]であると考えられている<ref name="prl50" />。電子の[[不変質量|質量]]は[[陽子]]のおよそ{{Ill2|陽子と電子の質量比|en|Proton-to-electron mass ratio|label=1/1836}}である<ref name="nist_codata_mu" />。電子の[[量子力学]]的な性質には、[[半整数]]の[[角運動量|固有角運動量]]([[スピン角運動量|スピン]])があり、値は[[プランク定数|換算プランク定数]] {{mvar|ħ}} の単位で表される。[[フェルミ粒子]]である電子は、[[パウリの排他原理]]により、2つの電子が同じ[[量子状態]]を占めることはできない<ref name="curtis74" />。すべての素粒子と同様に、電子は[[粒子と波動の二重性|粒子と波の両方]]の性質を示す。すなわち、電子は他の粒子と衝突したり、光のように[[電子回折|回折]]することができる。[[電子#量子的性質|電子の波動特性]]は、[[中性子]]や陽子などの他の粒子よりも実験的に観測しやすい。それは、電子は質量が小さいので、与えられたエネルギーに対して[[ド・ブロイ波長]]が長いためである。


電子は、[[電気]]、[[磁気]]、[[化学]]、[[熱伝導|熱伝導性]]など数多くの[[物理学|物理]]現象において重要な役割を担い、また、[[重力波 (相対論)|重力]]、[[ローレンツ力|電磁気]]、[[弱い相互作用]]にも関与している<ref name="anastopoulos1" />。電子は電荷を持っているため、その周囲には[[電場]]が生じる。電子が観測者に対して相対的に動いている場合、観測者はその電子が[[磁場]]を発生させているのを観測するだろう。別の発生源から生成する電磁場は、[[ローレンツ力]]の法則に従って電子の運動に影響を与える。電子が加速されると[[光子]]の形でエネルギーを放出または吸収する。
=== 質量 ===
{{Main|電子質量}}


実験室用の機器は、電磁場を利用して、個々の電子や[[プラズマ|電子プラズマ]]を捕捉することができる。特殊な[[望遠鏡]]を使って宇宙空間の電子プラズマを検出することができる。電子は、[[トライボロジー]]や摩擦帯電、電気分解、電気化学、[[電池|バッテリー技術]]、[[エレクトロニクス]]、[[電子ビーム溶接|溶接]]、[[陰極線管]]、光電気、太陽光発電パネル、[[電子顕微鏡]]、[[放射線治療]]、[[自由電子レーザー|レーザー]]、{{Ill2|ガスイオン化検出器|en|Gaseous ionization detector}}、[[粒子加速器]]など、多くの用途に関わっている。
電子の[[質量]] {{math|''m''{{sub|e}}}} は
{{Indent|
<math>\begin{align}
m_\text{e} &=9.109~383~7015(28)\times 10^{-31}\ \text{kg}\\
&=0.510~998~950~00(15)\ \text{MeV}/c^2 \\
\end{align}</math>
}}
である(2018 [[科学技術データ委員会|CODATA]]<ref name="me">[[#me|CODATA Value]]</ref><ref name="mec2">[[#mec2|CODATA Value]]</ref>)。
[[陽子]]の質量 {{math|''m''{{sub|p}}}} に対する比は
{{Indent|
<math>m_\text{e}/m_\text{p} = 5.446~170~214~87(33)\times 10^{-4}</math>
}}
である(2018 CODATA<ref name="mes">[[#mes|CODATA Value]]</ref>)。


電子と他の亜原子粒子との相互作用は、[[化学]]や[[原子核物理学]]などの分野で着目されている。[[原子核]]内の正電荷をもつ[[陽子]]と、原子核外の負電荷をもつ電子との間で起こる[[クーロン力|クーロン相互作用]]により、[[原子]]と呼ばれる双方の構成体が作られる。[[イオン化]]、あるいは負の電子と正の原子核の割合の違いにより、原子系の[[結合エネルギー]]が変化する。2つ以上の原子間における電子の交換あるいは共有が、[[化学結合]]を形成する主要因となる<ref name="Pauling" />。
電子の[[質量電荷比#電荷質量比|比電荷]]は
{{Indent|
<math>e/m_\text{e} = 1.758~820~010~76(53)\times 10^{11}\ \text{C}\ \text{kg}^{-1}</math>
}}
である(2018 CODATA<ref name="esme">[[#esme|CODATA Value]]</ref>)。


1838年、イギリスの自然哲学者{{Ill2|リチャード・レミング|en|Richard Laming}}<!-- Richard Laming -->は、原子の{{Ill2|化学的性質|en|Chemical property}}を説明するために、不可分の電荷量という概念を初めて提案した<ref name="arabatzis" />。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、1891年に、この電荷を「electron(エレクトロン)」と命名し、[[J. J. トムソン]]と彼が率いたイギリスの物理学者チームは1897年に、[[陰極線管]]の実験でこの電荷が粒子であることを同定した<ref name="thomson" />。
=== コンプトン波長 ===
電子の[[コンプトン波長]] {{math|''λ''{{sub|e}}}} は
{{Indent|
<math>\lambda_\text{e} = \frac{h}{m_\text{e}c} = 2.426~310~238~67(73)\times 10^{-12}\ \text{m}</math>
}}
である(2018 CODATA<ref name="ecom">[[#ecom|CODATA Value]]</ref>)。


電子は、[[恒星内元素合成|恒星内における元素合成]]のような[[核反応]]にも、[[ベータ粒子]]という形で関与している。電子は、[[放射性同位元素]]の[[ベータ崩壊]]や、[[宇宙線]]が大気圏に突入したときの高エネルギー衝突によって生成される。電子の[[反粒子]]は[[陽電子]]と呼ばれ、逆符号の{{Ill2|電荷 (物理学)|en|Charge (physics)|label=電荷}}を持つこと除いて、電子と同じである。{{Ill2|電子陽電子消滅|en|Electron–positron annihilation|label=電子が陽電子と衝突}}すると、両方の粒子が{{Ill2|消滅 (物理学)|en|Annihilation|label=消滅}}して[[ガンマ線]][[光子]]が発生する。
=== 古典半径 ===
電子の[[古典電子半径|古典半径]] {{math|''r''{{sub|e}}}} は
{{Indent|
<math>r_\text{e} = \alpha\, \frac{\lambda_\text{e}}{2\pi}= 2.817~940~3262(13)\times 10^{-15}\ \text{m}</math>
}}
である(2018 CODATA<ref name="re">[[#re|CODATA Value]]</ref>)。


=== トムソン断面積 ===
== 歴史 ==
{{See also|{{ill2|電磁気理論の歴史|en|History of electromagnetic theory|label=電磁気学の歴史}}}}
[[トムソン散乱#トムソン断面積|トムソン断面積]] {{math|''σ''{{sub|e}}}} は
{{Indent|
<math>\sigma_\text{e} = \frac{8\pi}{3}\, {r_\text{e}}^2 = 6.652~458~7321(60)\times 10^{-29}\ \text{m}^2</math>
}}
である(2018 CODATA<ref name="sigmae">[[#sigmae|CODATA Value]]</ref>)。


=== モーメント ===
=== 力の効果の発見 ===
{{Ill2|古代ギリシャ|en|Ancient Greece#Science and technology|label=古代ギリシャ人|preserve=1}}は、[[琥珀]](こはく)が毛皮で擦られたときに、小さなものを引き寄せることに気づいた。この現象は、[[雷]]と並んで、人類が[[電気#歴史|電気]]について記録した最も古い体験のひとつである<ref name="DictOrigins" />。イギリスの科学者[[ウィリアム・ギルバート (物理学者)|ウィリアム・ギルバート]]は、1600年の著作『{{lang|la|[[:en:De Magnete|''De Magnete'']]}}(磁石論)』の中で、擦った後に小さなものを引き付ける琥珀に似た性質を持つ物質を指すために、{{Ill2|新ラテン語|en|Neo-Latin|preserve=1}}の「electrica(エレクトリカ)」という言葉を作った<ref name="Benjamin">
電子の[[磁気モーメント]] {{math|''μ''{{sub|e}}}} は
{{Citation
{{Indent|
| last=Benjamin
<math>\mu_\text{e} = -9.284~764~7043(28)\times 10^{-24}\ \text{J}\ \text{T}^{-1}</math>
| first=Park
}}
| title=A history of electricity (The intellectual rise in electricity) from antiquity to the days of Benjamin Franklin
である(2018 CODATA<ref name="mue">[[#mue|CODATA Value]]</ref>)。[[ボーア磁子]] {{math|''&mu;''{{sub|B}}}} に対する比は
| place=New York
{{Indent|
| publisher=J. Wiley
<math>\mu_\text{e}/\mu_\text{B} = -1.001~159~652~181~28(18)</math>
| year=1898
}}
| pages=315, 484–5
である(2018 CODATA<ref name="mues">[[#mues|CODATA Value]]</ref>)。
| url=https://archive.org/details/cu31924004128686/page/n10
| isbn=978-1-313-10605-4
}}</ref>。''英語の electric'' や ''electricity'' も、ラテン語の ''{{lang|la|ēlectrum}}''({{Ill2|エレクトラム|en|Electrum|label=同名の合金}}の語源でもある)に由来し、[[古代ギリシア語|ギリシャ語]]で琥珀を意味する {{lang|grc|ἤλεκτρον}} (''{{lang|grc-Latn|ēlektron}}'')に由来する。


=== 2種類の電荷の発見 ===
== 大きさ ==
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]]は、帯電した[[金箔]]が絹で擦ったガラスに反発するのに対し、帯電した同じ金箔が羊毛で擦った琥珀に引き付けられることを発見した。デュ・フェは、この実験と類似の他の実験結果から、電気は2つの{{Ill2|エーテル理論|en|Aether theories|label=電気流体}}、すなわち絹で擦ったガラスのガラス電気(''vitreous'' fluid)と羊毛で擦った琥珀の樹脂電気(''resinous'' fluid)から構成されていると結論づけた。これらの2つの流体は、組み合わさると互いを中和することができる<ref name="Benjamin" /><ref>
電子の大きさ(内部構造)については、[[標準模型]]においては内部構造のない点として扱われるが、それを超える模型において電子が大きさを持つかどうか・内部構造を持つかどうかは判明していない。これまでに高エネルギーの電子の衝突実験で電子に大きさがある兆候は見つかっていないし、電子を大きさのない素粒子として扱って矛盾のない量子論([[量子電気力学]])もほぼ完成している{{sfnp|田崎|2008}}。ただし重力に関しては繰り込みは成功しておらず、下記シュバルツシルト半径が(現実的に存在するかどうかは別として)計算上存在する。また、電子には内部と外部を区別する明確な境界を定義できない。
{{cite book
| last = Keithley
| first = J.F.
| year = 1999
| title = The Story of Electrical and Magnetic Measurements: From 500 B.C. to the 1940s
| url = https://books.google.com/books?id=uwgNAtqSHuQC&pg=PR7
| publisher = [[:en:IEEE|IEEE Press]]
| pages = 19–20
| isbn = 978-0-7803-1193-0
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082420/https://books.google.com/books?id=uwgNAtqSHuQC&pg=PR7
| url-status = live
}}</ref>。その後、アメリカの科学者 [[:en:Ebenezer Kinnersley|Ebenezer Kinnersley]] も独自に同じ結論に達した<ref name="Cajori1917">{{cite book
|first=Florian |last=Cajori
|title=A History of Physics in Its Elementary Branches: Including the Evolution of Physical Laboratories
|url=https://archive.org/details/historyofphysics00cajo
|year=1917 |publisher=Macmillan}}</ref>{{rp|118}}。それから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電気流体ではなく、過剰(+)または不足(−)を示す単一の電気流体であると提案した。彼は、これら2つの電荷にそれぞれ、正(positive)と負(negative)という現代の[[電荷]]命名法を与えた<ref>{{cite web
| title = Benjamin Franklin (1706–1790)
| url = https://scienceworld.wolfram.com/biography/FranklinBenjamin.html
| work = [[:en:ScienceWorld|Eric Weisstein's World of Biography]]
| publisher = [[:en:Wolfram Research|Wolfram Research]]
| access-date = 2010-12-16
| df = dmy-all
| archive-date = 2013-08-27
| archive-url = https://web.archive.org/web/20130827114343/http://scienceworld.wolfram.com/biography/FranklinBenjamin.html
| url-status = live
}}</ref>。フランクリンは[[電荷担体]]を正であると考えていたが、どの状況が電荷担体の過剰で、どの状況が不足であるかを正しく認識していなかった<ref>
{{cite book
|last1=Myers | first1 = R.L.
| year = 2006
| title = The Basics of Physics
| url = https://archive.org/details/basicsofphysics0000myer/page/242
|url-access=registration
| publisher = [[:en:Greenwood Publishing Group|Greenwood Publishing Group]]
| page=242
| isbn = 978-0-313-32857-2
}}</ref>。


1838年から1851年にかけて、イギリスの自然哲学者{{Ill2|リチャード・レミング|en|Richard Laming}}は、原子は物質の核を単位[[電荷]]を持つ亜原子粒子が取り囲んで構成しているという考えを発展させた<ref name="farrar">
電子の大きさ・広がりに関して考慮する数値の概算値を以下に示す。
{{cite journal
; 古典半径 : {{val|2.818|e=-15|u=m}}
| last = Farrar | first = W.V.
; 電磁的上限半径 : {{val|1.0|e=-18|u=m}}
| year = 1969
; 2006年の実験による上限値 : {{val|1.0|e=-22|u=m}}
| title = Richard Laming and the Coal-Gas Industry, with His Views on the Structure of Matter
; クォーク第2版(ブルーバックス)による理論値 : {{val|1.0|e=-32|u=m}}
| journal = [[:en:Annals of Science|Annals of Science]]
; プランク長(超弦理論による電子): {{val|1.6|e=-35|u=m}}
| volume = 25 | pages = 243–254
; [[シュヴァルツシルト半径]] : {{val|1.3|e=-57|u=m}}
| doi =10.1080/00033796900200141
| issue = 3
}}</ref>。1846年初頭、ドイツの物理学者[[ヴィルヘルム・エドゥアルト・ヴェーバー]]は、電気は正と負に帯電した流体で構成され、その相互作用は[[逆二乗則]]に支配されていると理論化した。1874年に[[電気分解]]現象を研究した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、[[原子価|一価]][[イオン]]の電荷という「単一の明確な電気量」の存在を示唆した。彼は、[[ファラデーの電気分解の法則]]によって、この[[素電荷]] ''e'' の値を推定することができた<ref>
{{cite journal
| last = Barrow | first = J.D.
| year = 1983
| title = Natural Units Before Planck
| journal = [[:en:Astronomy & Geophysics|Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society]]
| volume = 24 | pages = 24–26
| bibcode = 1983QJRAS..24...24B
}}</ref>。しかし、ストーニーは、これらの電荷は原子に永続的に結びついており、分離することはできないと信じていた。1881年、ドイツの物理学者[[ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ]]は、正の電荷も負の電荷も根元部(こんげんぶ)<!-- elementary parts -->に分割され、それぞれが「電気の原子のようにふるまう」と主張した<ref name="arabatzis">
{{cite book
| last = Arabatzis
| first = T.
| year = 2006
| title = Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities
| url = https://books.google.com/books?id=rZHT-chpLmAC&pg=PA70
| pages = 70–74, 96
| publisher = University of Chicago Press
| isbn = 978-0-226-02421-9
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2021-01-07
| archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160308/https://books.google.com/books?id=rZHT-chpLmAC&pg=PA70
| url-status = live
}}</ref>。


ストニーは1881年に ''electrolion''(エレクトロリオン)という言葉を初めて作った。10年後、彼はこれらの素電荷を説明するために ''electron''(エレクトロン)に切り替え、1894年に「この最も注目すべき電気の基本単位の実際の量が推定され、それ以来、私はあえて ''electron'' という名前を提言することにした。」と述べている。[[ヘンドリック・ローレンツ]]が ''electrion'' を支持したため、名前を ''electrion'' に変更するという1906年の提案は失敗に終わった<ref>
== 原子中の電子 ==
{{cite book
[[原子]]は、[[原子核]]と電子(核外電子)によって構成されている事が現在では分かっている。
| first=Sōgo
| last=Okamura
| title=History of Electron Tubes
| url=https://books.google.com/books?id=VHFyngmO95YC&pg=PR11
| access-date=29 May 2015
| year=1994
| publisher=IOS Press
| isbn=978-90-5199-145-1
| page=11
| quote=In 1881, Stoney named this electromagnetic 'electrolion'. It came to be called 'electron' from 1891. [...] In 1906, the suggestion to call cathode ray particles 'electrions' was brought up but through the opinion of Lorentz of Holland 'electrons' came to be widely used.
| archive-date=11 May 2016
| archive-url=https://web.archive.org/web/20160511214552/https://books.google.com/books?id=VHFyngmO95YC&pg=PR11
| url-status=live
}}</ref><ref>
{{cite journal
| last = Stoney
| first = G.J.
| year = 1894
| title = Of the "Electron," or Atom of Electricity
| journal = [[:en:Philosophical Magazine|Philosophical Magazine]]
| volume = 38
| issue = 5
| pages = 418–420
| doi = 10.1080/14786449408620653
| url = https://zenodo.org/record/1431209
| access-date = 2019-08-25
| archive-date = 2020-10-31
| archive-url = https://web.archive.org/web/20201031080323/https://zenodo.org/record/1431209
| url-status = live
}}</ref>。この electron という用語は、''<u>electr</u>ic'' (電気を帯びた)と ''i<u>on</u>'' (帯電状態の粒子)という単語の組み合わせである<ref>"electron, n.2". OED Online. March 2013. Oxford University Press. Accessed 12 April 2013 [https://www.oed.com/view/Entry/60302?rskey=owKYbt&result=2] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20210427080603/https://www.oed.com/view/Entry/60302?rskey=owKYbt&result=2|date=2021-04-27}}</ref>。今日、陽子(proton)や中性子(neutron)など他の亜原子粒子を表すのに使われている接尾辞 [[wikt:-on|-''on'']] は、同様に electron から派生したものである<ref>
{{cite book
| editor-last = Soukhanov | editor-first = A.H.
| year = 1986
| title = Word Mysteries & Histories
| page = 73
| publisher = Houghton Mifflin
| isbn = 978-0-395-40265-8
}}</ref><ref>
{{cite book
| editor-last = Guralnik | editor-first = D.B.
| year = 1970
| title = Webster's New World Dictionary
| publisher = Prentice Hall
| page = 450
}}</ref>。


=== 物質外の自由電子の発見 ===
古典論的には初め、[[1902年]]頃に原子は立方体状で電子はその8つの頂点に存在する、と言う{{仮リンク|立方体原子モデル|label=立方体モデル|en|Cubical atom}}が[[ギルバート・ルイス]]によって提唱されていたが{{sfnp|Lewis|1916}}、直後の[[1904年]]に正の電荷のスープの中に電子が散らばっていると言う[[ブドウパンモデル]]が[[ジョゼフ・ジョン・トムソン|J. J. トムソン]]によって提唱され{{sfnp|Thomson|1904}}、定着していた。しかし同年、電子は正電荷を帯びた原子核の周りを[[土星の環]]の様な形で回っている、と言う土星型原子モデルが[[長岡半太郎]]によって提唱され、更にこのモデルを参考に[[1911年]]、電子は原子核の周りを[[惑星]]の様に回っている、と言う[[ラザフォードの原子模型]]を[[アーネスト・ラザフォード]]が提唱した為、このモデルが惑星型モデルとして定着した。しかし、これらの模型は様々な物理的矛盾を含んでいた為、その矛盾を解消すべく[[1913年]]に、電子は特定の[[量子条件]]や振動数条件を満たす[[電子軌道]]を回っている、と言う[[ボーアの原子模型]]が[[ニールス・ボーア]]によって提唱され、現在ではこのモデルが、電子は飛び飛びの[[エネルギー準位]]をもつ[[原子軌道]]を、通常は最も低いエネルギー準位の軌道から順に占有していく、と言う[[量子力学]]に基づいた[[原子模型]]へと発展し、用いられている。
[[File:Cyclotron motion wider view.jpg|right|thumb|alt=A round glass vacuum tube with a glowing circular beam inside|磁場によって円形に偏向された電子線<ref>
{{main2|核外電子のエネルギー準位と化学的な意味|電子配置}}
{{cite book
| last1 = Born
| first1 = M.
| last2 = Blin-Stoyle
| first2 = R.J.
| last3 = Radcliffe
| first3 = J.M.
| year = 1989
| title = Atomic Physics
| url = https://books.google.com/books?id=NmM-KujxMtoC&pg=PA26
| page = 26
| publisher = [[:en:Courier Dover|Courier Dover]]
| isbn = 978-0-486-65984-8
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2021-01-26
| archive-url = https://web.archive.org/web/20210126003322/https://books.google.com/books?id=NmM-KujxMtoC&pg=PA26
| url-status = live
}}</ref>]]


1859年、ドイツの物理学者{{Ill2|ユリウス・プリュッカー|en|Julius Plücker}}は、{{Ill2|希薄化|en|Rarefaction|label=希薄気体中}}の{{Ill2|電気抵抗率と電気伝導率|en|Electrical resistivity and conductivity|label=電気伝導率}}を研究していたとき、陰極から放出された放射線が陰極付近の管壁に[[燐光]]を発生させ、磁場の印加によって燐光の領域が移動することを観察した<ref>{{Cite journal|last=Plücker|first=M.|date=1858-12-01|title=XLVI. Observations on the electrical discharge through rarefied gases|url=https://doi.org/10.1080/14786445808642591|journal=The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science|volume=16|issue=109|pages=408–418|doi=10.1080/14786445808642591|issn=1941-5982}}</ref>。1869年、プリュッカーの教え子、[[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物を置くと、管の燐光領域に影を落とすことを発見した。ヒットルフは、陰極から放出される光線には直進性があり、燐光は管壁に当たった光線によって引き起こされると推測した。1876年、ドイツの物理学者[[オイゲン・ゴルトシュタイン]]は、光線が陰極表面に対して垂直に放出されることを示し、陰極から放出される光線を白熱光と区別した。ゴルトシュタインはこの光線を[[陰極線]]と名付けた<ref name="leicester" /><ref name="Whittaker">
[[ベータ崩壊]]の際に、[[原子核]]内で発生してそこから出てくる[[粒子線]]に含まれる粒子の内の一つが電子である。中性子が発見される以前は、原子核中に電子が存在するという「核内電子説」が存在したが、ベータ崩壊で原子核から飛び出してくる電子は原子核中に存在していたわけではなく、[[弱い相互作用]]の結果発生したものが放出されているに過ぎない。
{{cite book
|last=Whittaker
|first=E.T.
|author-link=E. T. Whittaker
|title=[[:en:A History of the Theories of Aether and Electricity|A History of the Theories of Aether and Electricity]]
|volume=1
|publisher=Nelson |place=London
|year=1951
}}</ref>{{rp|393}}。[[J.J.トムソン|J. J. トムソン]]による最終的な電子の発見には、陰極線に関する数十年にわたる実験的および理論的研究が重要であった<ref name="arabatzis" />。


1870年代、イギリスの化学者で物理学者でもある[[ウィリアム・クルックス]]は、内部を[[真空|高真空]]にした最初の陰極線管を開発した<ref name="dekosky">
== 電流と電子 ==
{{cite journal
[[電気伝導体]]内を流れる[[電流]]の担い手は、特定の原子の原子核にとらえられていない[[自由電子]]([[伝導電子]])である([[電荷]]を運ぶという意味では、[[正孔|ホール]]や[[イオン]]も該当する)。特に[[半導体]]においては、伝導電子だけに注目して単に「電子」と表現することが多い(半導体素子において「電子が欠乏」と言っても、原子核だけになっている訳ではない)。
| last = DeKosky | first = R.K.
| year = 1983
| title = William Crookes and the quest for absolute vacuum in the 1870s
| journal = [[:en:Annals of Science|Annals of Science]]
| volume = 40 | issue = 1 | pages = 1–18
| doi =10.1080/00033798300200101
}}</ref>。そして1874年、彼は陰極線が進路上に置かれた小さな羽根車を回転させることを示した。そして彼は、この光線には運動量があると結論づけた。さらに、磁場をかけることで光線を偏向させることができ、光線が負に帯電しているかのようにふるまうことを実証した<ref name="leicester">
{{cite book
| last = Leicester
| first = H.M.
| year = 1971
| title = The Historical Background of Chemistry
| url = https://books.google.com/books?id=aJZVQnqcwv4C&pg=PA221
| pages = 221–222
| publisher = [[:en:Courier Dover|Courier Dover]]
| isbn = 978-0-486-61053-5
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082418/https://books.google.com/books?id=aJZVQnqcwv4C&pg=PA221
| url-status = live
}}</ref>。彼は1879年に、陰極線が第4番目の[[物質の状態|物質状態]]にある負に帯電した気体[[分子]]から構成されると見なし、粒子の[[平均自由行程]]が衝突を無視できるほど非常に長いと考えることによって、これらの特性を説明できると提案した<ref name="Whittaker" />{{rp|394–395}}。


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発展させ、陰極線と平行に金属板を置き、板の間に[[電位]]を加えた<ref name="schu1890">{{Cite journal|last=Schuster|first=Arthur|date=1890|title=The discharge of electricity through gases|journal=Proceedings of the Royal Society of London|volume=47|pages=526–559|doi=10.1098/rspl.1889.0111|s2cid=96197979|doi-access=free}}</ref>。電場は光線を正電荷を帯びた板に向かって偏向させ、光線が負電荷を帯びていることのさらなる証拠となった。1890年、シュスターは、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って、光線成分の[[電荷質量比]]{{efn|古い情報源においては、質量対電荷比という現代の慣例ではなく、電荷対質量を記載している。<!-- Older sources list charge-to-mass rather than the modern convention of mass-to-charge ratio. -->}}を推定することができた。しかし、その値は予想よりも1000倍以上大きかったため、当時は彼の計算はほとんど信用されなかった<ref name="leicester" />。なぜなら、電荷担体ははるかに重い[[水素]]原子や[[窒素]]原子であると考えられていたからである<ref name="schu1890" />。しかし、シュスターの推定はその後、ほぼ正しいことが判明する。
ただし、'''自由電子の移動する方向と電流の流れる方向は逆'''である。これは電気発見当時の科学者たちが電気(電流という意味としての)は+極(正極)から−極(負極)に流れると定義した後で、[[陰極線]]の発見(次項)により、'''自由電子の移動する方向は−極(負極)から+極(正極)である'''ことが確かめられたのだが、電流は+極から−極に流れるということはすでに慣例となってしまっていたため、電流と自由電子の流れは逆と定義した事による。


1892年、[[ヘンドリック・ローレンツ]]は、これらの粒子(すなわち電子)の質量は、その電荷に帰着する可能性があることを示唆した<ref>{{cite magazine |first=Frank |last=Wilczek |url=https://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=happy-birthday-electron |title=Happy birthday, electron |magazine=Scientific American |date=June 2012 |access-date=2022-02-24 |archive-date=2013-11-01 |archive-url=https://web.archive.org/web/20131101121817/http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=happy-birthday-electron |url-status=live }}</ref>。
== 陽電子 ==
[[File:J.J Thomson.jpg|thumb|upright|[[J. J. トムソン]]]]
[[反粒子]]に'''[[陽電子]]''' (Positron) がある。陽電子はプラスの、電子と等しい電荷をもつ。[[1928年]]、[[ポール・ディラック]]が存在の[[仮説]]を立て、[[1932年]]に[[カール・デイヴィッド・アンダーソン]]が、[[霧箱]]を用いて観測、命名した。アンダーソンは、ポジトロンと対にするため、電子の正式な名称をエレクトロンから'''ネガトロン''' (Negatron) に変更する運動を起こしたが、失敗に終わっている。


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とき、それが外部エネルギー源にさらされなくても放射線を発することを発見した。これらの[[放射性崩壊|放射性]]物質は、それらが粒子を放出することを発見したニュージーランドの物理学者[[アーネスト・ラザフォード]]を含む科学者達にとって多くの関心の対象となった。彼は、これらの粒子を、物質を透過する能力に基づいて[[アルファ粒子|アルファ]]および[[ベータ粒子|ベータ]]と命名した<ref>
== 発見 ==
{{cite journal
電子の発見は[[陰極線]]の発見に端を発する。その当時物体は、[[電気]]を通す物体と電気を通さない物体に分類されることが一般的であった。しかし科学者たちはどんな物体の中でも[[電圧]]を上げれば[[電流]]を流すことができると考えていた。そこでほぼ[[真空]]に近い[[ブラウン管|陰極線管]]([[クルックス管]])に電圧をかけてみると直線状の影が現れた。[[ドイツ]]の物理学者[[オイゲン・ゴルトシュタイン]]はこの直線が陰極から発せられていたことから「陰極線」と名付けた。この陰極線の正体について学者らの意見は分かれた。欧州大陸の学者は陰極線の正体は海の波のように直線的に動いているので[[波動]]であるとし、[[イギリス]]の学者は[[重力]]の影響を受けないほど高速で移動している[[粒子]]であるとした。この大陸側とイギリス側の論争に決着をつけたのはイギリスの物理学者[[ウィリアム・クルックス]]であった。クルックスは、今日、自身の名前がつけられている陰極線管、いわゆるクルックス管を用いて、以下のような実験を提案した。
| last = Trenn | first = T.J.
| year = 1976
| title = Rutherford on the Alpha-Beta-Gamma Classification of Radioactive Rays
| journal = [[:en:Isis (journal)|Isis]]
| volume = 67 | issue = 1 | pages = 61–75
| jstor = 231134
| doi = 10.1086/351545
| s2cid = 145281124
}}</ref>。1900年、ベクレルは、[[ラジウム]]が放出するベータ線が電場によって偏向され、その質量電荷比は陰極線のそれと同じであることを示した<ref>{{cite journal
| last = Becquerel | first = H.
| year = 1900
| title = Déviation du Rayonnement du Radium dans un Champ Électrique
| journal = [[:en:Comptes rendus de l'Académie des sciences|Comptes rendus de l'Académie des sciences]]
| volume = 130 | pages = 809–815
|language=fr}}</ref>。この証拠により、電子は原子の構成要素として存在するという見方が強まった<ref name="BaW9091">[[:en:Electron#refBaW2001|Buchwald and Warwick (2001:90–91).]]</ref><ref>
{{cite journal
| last = Myers
| first = W.G.
| year = 1976
| title = Becquerel's Discovery of Radioactivity in 1896
| url = https://jnm.snmjournals.org/cgi/content/abstract/17/7/579
| journal = [[:en:Journal of Nuclear Medicine|Journal of Nuclear Medicine]]
| volume = 17
| issue = 7
| pages = 579–582
| pmid = 775027
| access-date = 2022-02-24
| archive-date = 2008-12-22
| archive-url = https://web.archive.org/web/20081222023947/http://jnm.snmjournals.org/cgi/content/abstract/17/7/579
| url-status = live
}}</ref>。


1897年、イギリスの物理学者[[J.J.トムソン|J. J. トムソン]]は、同僚の[[ジョン・タウンゼント (物理学者)|ジョン・タウンゼント]]や{{Ill2|ハロルド・ウィルソン (物理学者)|en|Harold A. Wilson (physicist)|label=ハロルド・ウィルソン}}とともに、陰極線が実際には例を見ない粒子であり、以前信じられてきたような波動でも原子でも分子でもないことを示す実験を行った<ref name="thomson" />。トムソンは、彼自身「corpuscles(微粒子)」と呼んだ陰極線粒子の電荷 ''e'' と質量 ''m'' の両方を正確に推定し、その質量は、既知の最小質量の水素イオンのおそらく1/1000であることを発見した<ref name="thomson" />。彼は、その電荷質量比 ''e''/''m'' が、陰極の物質に依存しないことを示した。さらに彼は、放射性物質、加熱した物質、照射した物質から放出される負電荷を帯びた粒子が普遍的であることを示した<ref name="thomson" /><ref>
陰極線管に磁石を近づけた際に、
{{cite web
* 負に荷電した粒子であれば[[磁場]]によって偏向するだろう
|last = Thomson
* 波動であれば磁界によって偏向することはない
|first = J.J.
|year = 1906
|title = Nobel Lecture: Carriers of Negative Electricity
|url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1906/thomson-lecture.pdf
|publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
|access-date = 2008-08-25 |df=dmy-all
|archive-url = https://web.archive.org/web/20081010100408/https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1906/thomson-lecture.pdf
|archive-date = 2008-10-10
|url-status = dead
}}</ref>。科学界は、[[ジョージ・フィッツジェラルド]]、[[ジョゼフ・ラーモア]]、[[ヘンドリック・ローレンツ]]らが主導した提唱によって、これを「電子(electron)」と命名した<ref name="OHara1975">
{{cite journal
| last =O'Hara
| first =J. G.
| title =George Johnstone Stoney, F.R.S., and the Concept of the Electron
| journal =Notes and Records of the Royal Society of London
| volume =29
| issue =2
| pages =265–276
| publisher =Royal Society
| date =March 1975
| jstor =531468
| doi =10.1098/rsnr.1975.0018
| s2cid =145353314
}}</ref>{{rp|273}}。同年、[[エミール・ヴィーヘルト]]と{{Ill2|ウォルター・カウフマン|en|Walter Kaufmann (physicist)|label=ウォルター・カウフマン}}も ''e''/''m'' 比を計算したが、その結果を新たな粒子を示すものとして解釈することはしなかった。その後、J. J. トムソンは1899年に電子の電荷と質量をそれぞれ、e~{{val|6.8|e=-10}} [[スタットクーロン|esu]]、 m~{{val|3|e=-26}} gと推定した<ref>{{Cite journal|last=[[:en:Abraham Pais|Abraham Pais]]|date=1997|title=The discovery of the electron – 100 years of elementary particles|url=https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/pdf/97i.pdf|journal=Beam Line|volume=1|pages=4–16|access-date=2021-09-04|archive-date=2021-09-14|archive-url=https://web.archive.org/web/20210914142755/https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/pdf/97i.pdf|url-status=live}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Kaufmann|first=W.|date=1897|title=Die magnetische Ablenkbarkeit der Kathodenstrahlen und ihre Abhängigkeit vom Entladungspotential|url=https://dx.doi.org/10.1002/andp.18972970709|journal=Annalen der Physik und Chemie|volume=297|issue=7|pages=544–552|doi=10.1002/andp.18972970709|bibcode=1897AnP...297..544K|issn=0003-3804|access-date=2022-02-24|archive-date=2022-02-24|archive-url=https://web.archive.org/web/20220224105619/https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.18972970709|url-status=live}}</ref>。


[[File:Millikan.jpg|thumb|upright|[[ロバート・ミリカン]]]]
この実験でクルックスは陰極線が磁場で偏向されることを確かめた。


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年に行った[[ミリカンの油滴実験|油滴実験]]でより精密に測定され、その結果は1911年に発表された。この実験では、帯電した油滴が重力によって落下するのを防ぐために電場が用いられた。この装置は、わずか1個-150個のイオンの電荷を、0.3%未満の誤差で測定することができた。同様の実験は、トムソンのチームによって電気分解で生じた帯電した水滴の雲を用いて先行しており<ref name="thomson" />、1911年には[[アブラム・ヨッフェ]]が、帯電した金属微粒子を用いてミリカンと同じ結果を独自に得、1913年に結果を発表している<ref>
[[ジャン・ペラン]]は[[1895年]]に陰極線には必ず負の電荷が伴うことを実験で証明した{{sfnp|アルベルト・マルチネス|2015}}。また、もし陰極線の正体が荷電した粒子であれば、[[電場]]によってより容易に偏向するだろうことが予測される。この測定は真空度が低いと上手くいかないため観測されていなかったが、[[1896年]]にグスタフ・ヤフマンが、[[1897年]]に[[ジョゼフ・ジョン・トムソン|J・J・トムソン]]が、静電気によって陰極線が偏向することを実証した{{sfnp|アルベルト・マルチネス|2015}}。
{{cite journal
| last1 = Kikoin | first1 = I.K.
| last2 = Sominskiĭ | first2 = I.S.
| year = 1961
| title = Abram Fedorovich Ioffe (on his eightieth birthday)
| journal = [[:en:Uspekhi Fizicheskikh Nauk|Soviet Physics Uspekhi]]
| volume = 3 | pages = 798–809
| doi = 10.1070/PU1961v003n05ABEH005812
|bibcode = 1961SvPhU...3..798K
| issue = 5 }} Original publication in Russian: {{cite journal
| last1 = Кикоин | first1 = И.К.
| last2 = Соминский | first2 = М.С.
| year = 1960
| title = Академик А.Ф. Иоффе
| journal = [[:en:Uspekhi Fizicheskikh Nauk|Успехи Физических Наук]]
| volume = 72 | issue = 10 | pages = 303–321
| doi = 10.3367/UFNr.0072.196010e.0307
| doi-access = free
}}</ref>。しかし、水滴よりも油滴の方が蒸発速度が遅いため安定性が高く、長時間におよぶ精密な実験に適していた<ref>
{{cite journal
| last = Millikan
| first = R.A.
| year = 1911
| title = The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes's Law
| journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
| volume = 32
| issue = 2
| pages = 349–397
| doi = 10.1103/PhysRevSeriesI.32.349
| bibcode = 1911PhRvI..32..349M
| url = https://authors.library.caltech.edu/6437/1/MILpr11b.pdf
| access-date = 2019-06-21
| archive-date = 2020-03-17
| archive-url = https://web.archive.org/web/20200317204458/https://authors.library.caltech.edu/6437/1/MILpr11b.pdf
| url-status = live
}}</ref>。


20世紀の初頭、特定の条件下で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た。1911年、[[チャールズ・トムソン・リーズ・ウィルソン|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荷電粒子の軌跡を撮影できるようにした<ref>
陰極線の研究とは別に、1896年から1897年にかけて[[ピーター・ゼーマン]]らは、[[ゼーマン効果]]の研究からイオン振動子(電子)の[[質量電荷比#電荷質量比|比電荷]]を求め、この結果から、電子は電荷が負で原子より小さいという概念に至った{{sfnp|ヘリガ・カーオ|2015|ps={{Full|date=2016年4月20日 (水) 06:12 (UTC)}}}}。1897年に[[エミール・ヴィーヘルト]]、J・J・トムソンはそれぞれ陰極線を構成する粒子の比電荷を測定し、その粒子が原子より非常に小さくて軽いと結論付けた{{sfnp|アルベルト・マルチネス|2015}}<ref group="注">陰極線を粒子とは示さなかったものの、ヴァルター・カウフマンも1897年に陰極線の比電荷を測定している。</ref>。これに先立って1890年までに[[アーサー・シュスター]]が陰極線の比電荷を測定していたが、その時点では電子が原子から分離するとは考えられていなかったため正しく解釈されず{{sfnp|アルベルト・マルチネス|2015}}、また測定結果も信用されなかった。[[1899年]]にJ・J・トムソンは電子の電荷だけを測定し、それにより質量も計算することができた{{sfnp|アルベルト・マルチネス|2015}}。[[ロバート・ミリカン]]は[[1911年]]に単一の電子を分離することに成功した{{sfnp|アルベルト・マルチネス|2015}}。
{{cite journal
| last1 = Das Gupta | first1 = N.N.
| last2 = Ghosh | first2 = S.K.
| year = 1999
| title = A Report on the Wilson Cloud Chamber and Its Applications in Physics
| journal = [[:en:Reviews of Modern Physics|Reviews of Modern Physics]]
| volume = 18 | pages = 225–290
| doi = 10.1103/RevModPhys.18.225
| bibcode=1946RvMP...18..225G
| issue = 2
}}</ref>。


=== 原子論 ===
この電子の発見は[[原子模型|原子モデル]]に大きな変化をもたらした。
[[File:Bohr atom model English.svg|right|thumb|alt=Three concentric circles about a nucleus, with an electron moving from the second to the first circle and releasing a photon|数値 ''n'' で[[量子数|量子化]]されたエネルギーを持った電子の状態を示す[[ボーアの原子モデル]]。より低い軌道に落ちた電子は、軌道間のエネルギー差に等しい光子を放出する。]]
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 (物理学者)|ヘンリー・モーズリー]]、[[ジェイムス・フランク]]、[[グスタフ・ヘルツ]]らによる実験によって、原子の構造は、正電荷を帯びた高密度の[[原子核]]を低質量の電子が取り囲んだ形であることがほぼ確立された<ref name="smirnov" />。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で存在し、そのエネルギーは原子核の周囲を回る電子の軌道の角運動量によって決まると仮定した。電子は、特定の周波数の光子を放出または吸収することによって、その状態(または軌道)の間を移動することができる。彼は、これらの量子化された軌道を使って、水素原子の[[スペクトル線]]を正確に説明した<ref>
{{cite web
| last = Bohr
| first = N.
| year = 1922
| title = Nobel Lecture: The Structure of the Atom
| url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1922/bohr-lecture.pdf
| publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
| access-date = 2008-12-03
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-12-03
| archive-url = https://web.archive.org/web/20081203124237/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1922/bohr-lecture.pdf
| url-status = live
}}</ref>。しかし、ボーアのモデルはスペクトル線の相対強度を説明することに失敗し、より複雑な原子のスペクトルを説明することができなかった<ref name="smirnov">
{{cite book
| last = Smirnov
| first = B.M.
| year = 2003
| title = Physics of Atoms and Ions
| url = https://books.google.com/books?id=I1O8WYOcUscC&pg=PA14
| pages = 14–21
| publisher = [[:en:Springer Science+Business Media|Springer]]
| isbn = 978-0-387-95550-6
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2020-05-09
| archive-url = https://web.archive.org/web/20200509044538/https://books.google.com/books?id=I1O8WYOcUscC&pg=PA14
| url-status = live
}}</ref>。


原子間の化学結合は、1916年に[[ギルバート・ルイス|ギルバート・ニュートン・ルイス]]によって説明された。彼は、2つの原子間の[[共有結合]]は、その間で共有される1対の電子([[電子対]]と呼ぶ)によって保持されると提案した<ref>
== 電子場 ==
{{cite journal
電子を粒子ではなく[[場]]と見なしたとき、その場のことを'''電子場'''と呼ぶ。[[相対性理論|相対論]]的な電子場は[[ディラック方程式]]に、非相対論的な電子場は[[ド・ブロイ方程式]]に従う{{Sfnp|新井|2000}}{{Sfnp|北野|2010}}。
| last = Lewis
| first = G.N.
| year = 1916
| title = The Atom and the Molecule
| journal = [[:en:Journal of the American Chemical Society|Journal of the American Chemical Society]]
| volume = 38
| issue = 4
| pages = 762–786
| doi = 10.1021/ja02261a002
| s2cid = 95865413
| url = https://zenodo.org/record/1429068
| access-date = 2019-08-25
| archive-date = 2019-08-25
| archive-url = https://web.archive.org/web/20190825132554/https://zenodo.org/record/1429068/files/article.pdf
| url-status = live
}}</ref>。その後、1927年に[[ヴァルター・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の完全な説明を行った<ref name="Arabatzis">
{{cite journal
| last1 = Arabatzis | first1 = T.
| last2 = Gavroglu | first2 = K.
| year = 1997
| title = The chemists' electron
| journal = [[:en:European Journal of Physics|European Journal of Physics]]
| volume = 18 | pages = 150–163
| doi = 10.1088/0143-0807/18/3/005
|bibcode = 1997EJPh...18..150A
| issue = 3 | s2cid = 56117976
| url = https://pdfs.semanticscholar.org/3804/783ac9fc011aeae884a3d370a474cbfdd46f.pdf
| archive-url = https://web.archive.org/web/20200605041731/https://pdfs.semanticscholar.org/3804/783ac9fc011aeae884a3d370a474cbfdd46f.pdf
| url-status = dead
| archive-date = 2020-06-05
}}</ref>。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詳しく調べ、すべての電子は連続する「同心円状の(ほぼ)球殻に分布し、その厚さはすべて等しい」ことを示唆した<ref>
{{cite journal
| last = Langmuir
| first = I.
| year = 1919
| title = The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules
| journal = [[:en:Journal of the American Chemical Society|Journal of the American Chemical Society]]
| volume = 41
| issue = 6
| pages = 868–934
| doi = 10.1021/ja02227a002
| url = https://zenodo.org/record/1429026
| access-date = 2019-06-21
| archive-date = 2021-01-26
| archive-url = https://web.archive.org/web/20210126003324/https://zenodo.org/record/1429026
| url-status = live
}}</ref>。次に、その殻をいくつかの区画に分割し、それぞれが1対の電子を含むとした。ラングミュアはこのモデルを使用して、[[周期表|周期律]]に従ってほぼ繰り返されることが知られていた周期表の<ref name="Arabatzis" />、全ての元素の{{Ill2|化学的性質|en|Chemical property}}を定性的に説明することができた<ref>
{{cite book
| last = Scerri | first = E.R.
| year = 2007
| title = The Periodic Table
| url = https://archive.org/details/periodictableits0000scer/page/205
| url-access = registration | pages=205–226
| publisher = Oxford University Press
| isbn = 978-0-19-530573-9
}}</ref>。


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、各状態をわずか1個の電子が占有している場合に限り、すべての量子エネルギー状態を定義する4つの因子の集合によって説明できることを発見した。同一の量子エネルギー状態を複数の電子が占めることを禁じるこの原則は、[[パウリの排他原理]]として知られるようになった<ref>
== その他 ==
{{cite book
日本語では、素粒子の意味だけではなく、英語の"Electronic"または"Electronics"の訳としても、「電子」という語が使われる。このため、[[電子工学]]を応用した[[電子機器]]に、「電子」の語が冠されることがある。
| last = Massimi
* [[電子計算機]]
| first = M.
* [[電子手帳]]
| year = 2005
* [[電子辞書]]
| title = Pauli's Exclusion Principle, The Origin and Validation of a Scientific Principle
* [[電子マネー]]
| url = https://books.google.com/books?id=YS91Gsbd13cC&pg=PA7
* [[電子メール]]
| pages = 7–8
* [[電子商店街]](電子モール)
| publisher = Cambridge University Press
* [[電子商取引]]
| isbn = 978-0-521-83911-2
* [[電子政府]]
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
{{See|電子工学}}
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071142/https://books.google.com/books?id=YS91Gsbd13cC&pg=PA7
| url-status = live
}}</ref>。2つの異なる値を持った第4の因子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・ゴーズミット]]と[[ジョージ・ウーレンベック]]によって説明された。1925年、彼らは、電子はその軌道の角運動量に加え、固有の角運動量と[[磁気双極子モーメント]]を持っていることを示唆した<ref name="smirnov" /><ref>
{{cite journal
| last1 = Uhlenbeck | first1 = G.E.
| last2 = Goudsmith | first2 = S.
| year = 1925
| title = Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons
| journal = [[:en:Naturwissenschaften|Die Naturwissenschaften]]
| volume = 13 | issue = 47
| bibcode = 1925NW.....13..953E
|doi = 10.1007/BF01558878
| pages = 953–954 | s2cid = 32211960
|language=de
}}</ref>。これは、太陽の周りを公転する地球の自転と似ている。この固有角運動量は[[スピン角運動量|スピン]]と呼ばれるようになり、これまで謎であった、高分解能[[分光器]]で観測されるスペクトル線の分裂を説明することができるようになった。この現象は[[微細構造 (原子物理学)|微細構造分裂]]として知られている<ref>{{cite journal
| last = Pauli | first = W.
| year = 1923
| title = Über die Gesetzmäßigkeiten des anomalen Zeemaneffektes
| journal = [[:en:European Physical Journal|Zeitschrift für Physik]]
| volume = 16 | issue = 1 | pages = 155–164
| bibcode = 1923ZPhy...16..155P
| doi = 10.1007/BF01327386
| s2cid = 122256737
|language=de}}</ref>。

=== 量子力学 ===
{{See also|量子力学の歴史}}<!-- History of quantum mechanics-->
{{further|[[電子#量子的性質|§ 量子的性質]]<!-- Quantum properties -->}}
フランスの物理学者、[[ルイ・ド・ブロイ]]は、1924年の学位論文『''{{lang|fr|Recherches sur la théorie des quanta}}''(量子理論の研究)』の中で、すべての物質は[[光]]のように[[ド・ブロイ波]]として表現できるという仮説を立てた<ref name="de_broglie">
{{cite web
| last = de Broglie
| first = L.
| year = 1929
| title = Nobel Lecture: The Wave Nature of the Electron
| url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/broglie-lecture.pdf
| publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
| access-date = 2008-08-30
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-10-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20081004022001/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/broglie-lecture.pdf
| url-status = live
}}</ref>。つまり、適切な条件下では、電子やその他の物質は粒子か波のいずれかの性質を示すことになる。粒子の[[光の粒子説|粒子的性質]]は、任意の時点に、粒子がその軌道に沿った空間内の局所的な位置にあることを示すことで立証される<ref>
{{cite book
| last = Falkenburg
| first = B.
| year = 2007
| title = Particle Metaphysics: A Critical Account of Subatomic Reality
| url = https://books.google.com/books?id=EbOz5I9RNrYC&pg=PA85
| page = 85
| publisher = [[:en:Springer Science+Business Media|Springer]]
| isbn = 978-3-540-33731-7
| bibcode = 2007pmca.book.....F
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082417/https://books.google.com/books?id=EbOz5I9RNrYC&pg=PA85
| url-status = live
}}</ref>。光の波動的性質は、たとえば光線を平行[[光学スリット|スリット]]に通過させ、それによる[[干渉 (物理学)|干渉]]パターンを作り出すことで示される。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(Alexander Reid)は、電子線を薄いセルロイド箔、後には金属膜を通過させると干渉効果が生じることを発見し、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・ガーマー]]は、[[ニッケル]]の結晶からの電子の反射によって干渉効果が生じることを発見した<ref>
{{cite web
| last = Davisson
| first = C.
| year = 1937
| title = Nobel Lecture: The Discovery of Electron Waves
| url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1937/davisson-lecture.pdf
| publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
| access-date = 2008-08-30
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-07-09
| archive-url = https://web.archive.org/web/20080709090839/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1937/davisson-lecture.pdf
| url-status = live
}}</ref>。トムソンの大学院生であったアレクサンダー・リードが最初の実験を行ったが、その後、彼は交通事故で亡くなり<ref>{{Cite journal |last=Navarro |first=Jaume |date=2010 |title=Electron diffraction chez Thomson: early responses to quantum physics in Britain |url=https://www.cambridge.org/core/product/identifier/S0007087410000026/type/journal_article |journal=The British Journal for the History of Science |language=en |volume=43 |issue=2 |pages=245–275 |doi=10.1017/S0007087410000026 |s2cid=171025814 |issn=0007-0874}}</ref>、ほとんど言及されていない。
[[File:Orbital s1.png|right|thumb|alt=A spherically symmetric blue cloud that decreases in intensity from the center outward|量子力学では、原子中の電子の挙動は[[原子軌道|軌道]](軌道というよりもむしろ確率分布)によって記述される。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地点で「見つかる」相対確率を示している。]]
[[エルヴィン・シュレーディンガー]]は、ド・ブロイによる電子の波動性の予測をもとに、原子核の影響下で運動する電子の[[波動方程式]]を仮定した。1926年、この方程式、すなわち[[シュレーディンガー方程式]]は、電子波がどのように伝播するかを記述することに成功した<ref>
{{cite journal
| last = Schrödinger | first = E.
| year = 1926
| title = Quantisierung als Eigenwertproblem
| journal = [[:en:Annalen der Physik|Annalen der Physik]]
| volume = 385 | issue = 13 | pages = 437–490
| bibcode = 1926AnP...385..437S
| doi = 10.1002/andp.19263851302
|language=de
}}</ref>。この波動方程式は、時間の経過に伴う電子の位置を決定する解を与えるのではなく、むしろ時間的に変化しない電子の位置、特に電子が空間内で束縛される位置の近くで電子を見つける確率を予測するために使われた。この方法は、[[量子力学]]の第二の定式化につながり(第一の定式化は1925年、[[ヴェルナー・ハイゼンベルク|ハイゼンベルク]]による)、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、1913年にボーアが初めて導出したものと等価であり、水素スペクトルの再現で知られていた水素原子中の電子のエネルギー状態を導出した<ref>
{{cite book
| last = Rigden
| first = J.S.
| year = 2003
| title = Hydrogen
| url = https://books.google.com/books?id=FhFxn_lUvz0C&pg=PT66
| publisher = Harvard University Press
| pages = 59–86
| isbn = 978-0-674-01252-3
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082407/https://books.google.com/books?id=FhFxn_lUvz0C&pg=PT66
| url-status = live
}}</ref>。スピン、そして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の原子における電子の配置を予測することを可能にした<ref>
{{cite book
| last = Reed
| first = B.C.
| year = 2007
| title = Quantum Mechanics
| url = https://books.google.com/books?id=4sluccbpwjsC&pg=PA275
| pages = 275–350
| publisher = [[:en:Jones & Bartlett Learning|Jones & Bartlett Publishers]]
| isbn = 978-0-7637-4451-9
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082419/https://books.google.com/books?id=4sluccbpwjsC&pg=PA275
| url-status = live
}}</ref>。

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、電磁場の量子力学の[[ハミルトニアン]]形式に相対論的考察および対称性考察を適用することで、相対性理論と一致する電子のモデル、すなわち[[ディラック方程式]]を作り出した<ref>
{{cite journal
|last = Dirac
|first = P.A.M.
|year = 1928
|title = The Quantum Theory of the Electron
|journal = [[:en:Proceedings of the Royal Society#Proceedings of the Royal Society A|Proceedings of the Royal Society A]]
|volume = 117
|issue = 778
|pages = 610–624
|doi = 10.1098/rspa.1928.0023
|bibcode = 1928RSPSA.117..610D
|url = https://rspa.royalsocietypublishing.org/content/royprsa/117/778/610.full.pdf
|doi-access = free
|access-date = 2022-02-24
|archive-date = 2018-11-25
|archive-url = https://web.archive.org/web/20181125224103/http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/royprsa/117/778/610.full.pdf
|url-status = live
}}</ref>。ディラックは1930年に、彼の相対論的方程式内のいくつかの問題を解決するために、後に[[ディラックの海]]と呼ばれる、真空を負のエネルギーを持つ粒子による無限の海とするモデルを開発した。彼はこれによって、電子の[[反物質]]である陽電子の存在を予言した<ref>
{{cite web
| last = Dirac
| first = P.A.M.
| year = 1933
| title = Nobel Lecture: Theory of Electrons and Positrons
| url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/dirac-lecture.pdf
| publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
| access-date = 2008-11-01
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-07-23
| archive-url = https://web.archive.org/web/20080723220816/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/dirac-lecture.pdf
| url-status = live
}}</ref>。この粒子は1932年に[[カール・デイヴィッド・アンダーソン|カール・アンダーソン]]によって発見された。アンダーソンは、標準的な電子を ''negatrons (''ネガトロン)と呼び、正と負に帯電した多様体<!-- positively and negatively charged variants -->を総称して ''electron(''電子)と呼ぶことを提案した<ref>{{Cite journal |last=Anderson |first=Carl D. |date=1933-03-15 |title=The Positive Electron |journal=Physical Review |language=en |volume=43 |issue=6 |pages=491–494 |doi=10.1103/PhysRev.43.491 |bibcode=1933PhRv...43..491A |issn=0031-899X|doi-access=free }}</ref>。

1947年、[[ウィリス・ラム]]は大学院生の{{Ill2|ロバート・レザフォード|en|Robert Retherford}}<!-- Robert Retherford -->と共同で、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相互にずれていることを発見した。この違いは[[ラム・シフト]]と呼ばれるようになった。ほぼ同時期に、[[ポリカプ・クッシュ]]と{{Ill2|ヘンリー・M・フォーリー|en|Henry M. Foley}}は共同で、電子の磁気モーメントがディラックの理論で予測されるものよりわずかに大きいことを発見した。このわずかな差は、後に電子の[[異常磁気モーメント|異常磁気双極子モーメント]]と呼ばれるようになった。この違いはその後、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・P・ファインマン|リチャード・ファインマン]]によって開発された[[量子電気力学]]の理論によって説明された<ref>
{{cite web
| title = The Nobel Prize in Physics 1965
| url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/
| publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
| access-date = 2008-11-04
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-10-24
| archive-url = https://web.archive.org/web/20081024052537/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/
| url-status = live
}}</ref>。

=== 粒子加速器 ===
20世紀前半の[[粒子加速器]]が開発されると、物理学者は[[亜原子粒子]]の性質を深く掘り下げるようになった<ref>
{{cite journal
| last = Panofsky
| first = W.K.H.
| year = 1997
| title = The Evolution of Particle Accelerators & Colliders
| url = https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/27/1/27-1-panofsky.pdf
| journal = [[:en:Beam Line|Beam Line]]
| volume = 27
| issue = 1
| pages = 36–44
| access-date = 2008-09-15
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-09-09
| archive-url = https://web.archive.org/web/20080909234139/http://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/27/1/27-1-panofsky.pdf
| url-status = live
}}</ref>。[[電磁誘導]]を使って電子を加速する最初の試みは、1942年、{{Ill2|ドナルド・ウィリアム・カースト|en|Donald William Kerst|label=ドナルド・カースト}}によってなされた。彼の最初の[[ベータトロン]]は2.3&nbsp;MeVのエネルギーに達し、その後のベータトロンは300&nbsp;MeVを達成した。1947年、[[ゼネラル・エレクトリック]]の70&nbsp;MeV電子シンクロトロンによって[[シンクロトロン放射]]が発見された。この放射は、光速に近い速度で移動する電子が、磁場を通過して加速されることによって引き起こされた<ref>
{{cite journal
| last = Elder | first = F.R.
| year = 1947
| title = Radiation from Electrons in a Synchrotron
| journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
| volume = 71 | issue = 11 | pages = 829–830
| doi = 10.1103/PhysRev.71.829.5
|bibcode = 1947PhRv...71..829E |display-authors=etal
}}</ref>。

1968年、1.5&nbsp;GeVのビームエネルギーを持った最初の高エネルギー粒子{{Ill2|衝突型加速器|en|Collider}}である{{Ill2|ADONE|en|ADONE}}の運用が始まった<ref>
{{cite book
| last = Hoddeson
| first = L.
| year = 1997
| title = The Rise of the Standard Model: Particle Physics in the 1960s and 1970s
| url = https://books.google.com/books?id=klLUs2XUmOkC&pg=PA25
| pages = 25–26
| publisher = [[:en:Cambridge University Press|Cambridge University Press]]
| isbn = 978-0-521-57816-5
| display-authors = etal
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082414/https://books.google.com/books?id=klLUs2XUmOkC&pg=PA25
| url-status = live
}}</ref>。この装置は、電子と陽電子を反対方向に加速させることで、静止した標的に電子を衝突させる場合と比べ、衝突エネルギーを実質的に2倍にした<ref>{{cite journal
| last = Bernardini | first = C.
| year = 2004
| title = AdA: The First Electron–Positron Collider
| journal = [[:en:Physics in Perspective|Physics in Perspective]]
| volume = 6 | issue = 2 | pages = 156–183
| bibcode = 2004PhP.....6..156B
| doi = 10.1007/s00016-003-0202-y
| s2cid = 122534669
}}</ref>。1989年から2000年まで運用されていた[[CERN]]の{{Ill2|大型電子陽電子衝突型加速器|en|Large Electron–Positron Collider}}(LEP)は209&nbsp;GeVの衝突エネルギーを達成し、素粒子物理学の[[標準模型]]にとって重要な測定を行った<ref>{{cite web
| year = 2008
| title = Testing the Standard Model: The LEP experiments
| url = https://public.web.cern.ch/PUBLIC/en/Research/LEPExp-en.html
| publisher = [[:en:CERN|CERN]]
| access-date = 2008-09-15
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-09-14
| archive-url = https://web.archive.org/web/20080914164129/http://public.web.cern.ch/public/en/Research/LEPExp-en.html
| url-status = live
}}</ref><ref>{{cite journal
| year = 2000
| title = LEP reaps a final harvest
| url = https://cerncourier.com/cws/article/cern/28335
| journal = [[:en:CERN Courier|CERN Courier]]
| volume = 40
| issue = 10
| access-date = 2022-02-24
| archive-date = 2017-09-30
| archive-url = https://web.archive.org/web/20170930222305/http://cerncourier.com/cws/article/cern/28335
| url-status = live
}}</ref>。

=== 個々の電子の閉じ込め ===
現在では、−269&nbsp;°C(4&nbsp;[[ケルビン|K]])から約−258&nbsp;°C(15&nbsp;[[ケルビン|K]])までの極低温で動作する超小型({{nowrap|1=''L'' = 20 nm}}, {{nowrap|1=''W'' = 20 nm}})[[CMOS|CMOSトランジスタ]]に、個々の電子を容易に閉じ込められるようになった<ref>{{cite journal
| last1 = Prati | first1 = E.
| last2 = De Michielis | first2 = M.
| last3 = Belli | first3 = M.
| last4 = Cocco | first4 = S.
| last5 = Fanciulli | first5 = M.
| last6 = Kotekar-Patil | first6 = D.
| last7 = Ruoff | first7 = M.
| last8 = Kern | first8 = D.P.
| last9 = Wharam | first9 = D.A.
| last10 = Verduijn | first10 = J.
| last11 = Tettamanzi | first11 = G.C.
| last12 = Rogge | first12 = S.
| last13 = Roche | first13 = B.
| last14 = Wacquez | first14 = R.
| last15 = Jehl | first15 = X.
| last16 = Vinet | first16 = M.
| last17 = Sanquer | first17 = M.
| title = Few electron limit of n-type metal oxide semiconductor single electron transistors
| journal = Nanotechnology
| volume = 23 | issue = 21 | pages = 215204
| year = 2012
| doi = 10.1088/0957-4484/23/21/215204
| pmid = 22552118 |arxiv = 1203.4811
|bibcode = 2012Nanot..23u5204P | citeseerx = 10.1.1.756.4383 | s2cid = 206063658
}}</ref>。電子の波動関数は半導体格子中に広がり、[[価電子帯]]電子との相互作用は無視できるほどなので、その質量を[[有効質量|有効質量テンソル]]に置き換えることで、単一粒子形式<!-- single particle formalism -->で扱うことができる。

== 特徴 ==

=== 分類 ===
[[File:Standard Model of Elementary Particles.svg|right|thumb|upright=1.25|alt=A table with four rows and four columns, with each cell containing a particle identifier|素粒子の標準模型。左側に電子がある (記号e)。]]
素粒子物理学の[[標準模型]]において、電子は、[[レプトン (素粒子)|レプトン]]と呼ばれる亜原子粒子のグループに属し、基本粒子あるいは[[素粒子]]であると考えられている。電子は、荷電レプトン(あらゆる種類の電荷を帯びた粒子)の中で最も質量が小さく、第1[[世代 (素粒子)|世代]]の基本粒子に属する<ref>{{cite journal
| last1 = Frampton | first1 = P.H.
| last2 = Hung | first2 = P.Q.
| last3 = Sher | first3 = Marc
| year = 2000
| title = Quarks and Leptons Beyond the Third Generation
| journal = [[:en:Physics Reports|Physics Reports]]
| volume = 330 | issue = 5–6 | pages = 263–348
| doi = 10.1016/S0370-1573(99)00095-2
|arxiv = hep-ph/9903387 |bibcode = 2000PhR...330..263F
| s2cid = 119481188
}}</ref>。第2世代と第3世代には、荷電レプトン、[[ミュー粒子]]、[[タウ粒子]]があり、それらは電荷、[[スピン角運動量|スピン]]、[[相互作用]]において電子と同じであるが、より大きな質量を持つ。レプトンは、[[強い相互作用]]を持たないという点で、物質の他の基本構成要素である[[クォーク]]とは異なる。レプトン族のすべてのメンバーは、すべて半奇数スピンを持っているのでフェルミ粒子であり、電子は スピン{{sfrac|1|2}} を持つ<ref name="raith">{{cite book
| last1 = Raith | first1 = W.
| last2 = Mulvey | first2 = T.
| year = 2001
| title = Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei and Particles
| pages = 777–781
| publisher = [[:en:CRC Press|CRC Press]]
| isbn = 978-0-8493-1202-1
}}</ref>。

=== 基本的性質 ===
電子の[[不変質量]]は約 [[:en:Orders of magnitude (mass)#10-25 kg or less|{{val|9.109|e=-31}}]] キログラム<ref name="CODATA" />、または{{val|5.489|e=-4}} [[原子質量単位]]である。[[質量とエネルギーの等価性]]により、これは [[:en:Orders of magnitude (energy)#1E-15|{{convert|0.511|MeV|J|abbr=on}}]] の[[静止エネルギー]]に相当する。

陽子と電子の質量の比は約1836である<ref name="nist_codata_mu">{{cite web
| title = CODATA value: proton-electron mass ratio
| url = https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpsme
| work = 2006 CODATA recommended values
| publisher = [[:en:National Institute of Standards and Technology|National Institute of Standards and Technology]]
| access-date = 2009-07-18
| df = dmy-all
| archive-date = 2019-03-28
| archive-url = https://web.archive.org/web/20190328001314/https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpsme
| url-status = live
}}</ref><ref name="Zombeck2007">{{cite book
| last = Zombeck
| first = M.V.
| year = 2007
| title = Handbook of Space Astronomy and Astrophysics
| url = https://books.google.com/books?id=tp_G85jm6IAC&pg=PA14
| edition = 3rd
| page = 14
| publisher = Cambridge University Press
| isbn = 978-0-521-78242-5
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082414/https://books.google.com/books?id=tp_G85jm6IAC&pg=PA14
| url-status = live
}}</ref>。天文学的な測定によれば、{{Ill2|陽子対電子質量比|en|Proton-to-electron mass ratio|label=陽子と電子の質量比}}は、標準模型で予測されているように、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<ref>{{cite journal
| last = Murphy | first = M.T.
| year = 2008
| title = Strong Limit on a Variable Proton-to-Electron Mass Ratio from Molecules in the Distant Universe
| journal = [[:en:Science (journal)|Science]]
| volume = 320 | issue = 5883 | pages = 1611–1613
| doi = 10.1126/science.1156352
| pmid = 18566280
|bibcode = 2008Sci...320.1611M |arxiv = 0806.3081 | s2cid = 2384708
|display-authors=etal}}</ref>。

電子は {{val|-1.602176634|e=-19}} [[クーロン]]の[[電荷]]を持ち<ref name="CODATA">The original source for CODATA is {{cite journal
| last1 = Mohr | first1 = P.J.
| last2 = Taylor | first2 = B.N.
| last3 = Newell | first3 = D.B.
| year = 2008
| title = CODATA recommended values of the fundamental physical constants
| journal = [[:en:Reviews of Modern Physics|Reviews of Modern Physics]]
| volume = 80 | pages = 633–730
| doi = 10.1103/RevModPhys.80.633 | bibcode=2008RvMP...80..633M
| issue = 2
|arxiv = 0801.0028 | citeseerx = 10.1.1.150.1225
}}
:Individual physical constants from the CODATA are available at: {{cite web
| url = https://physics.nist.gov/cuu/
| title = The NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty
| publisher = [[:en:National Institute of Standards and Technology|National Institute of Standards and Technology]]
| access-date = 2009-01-15
| archive-date = 2009-01-16
| archive-url = https://web.archive.org/web/20090116162522/http://physics.nist.gov/cuu/
| url-status = live
}}</ref>、これは亜原子粒子の電荷の標準単位としても使われ、素電荷(あるいは電気素量)とも呼ばれる。実験精度の範囲内では、電子の電荷は陽子の電荷と同じであるが、符号は逆である<ref>{{cite journal
| last1 = Zorn | first1 = J.C.
| last2 = Chamberlain | first2 = G.E.
| last3 = Hughes | first3 = V.W.
| year = 1963
| title = Experimental Limits for the Electron–Proton Charge Difference and for the Charge of the Neutron
| journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
| volume = 129 | issue = 6 | pages = 2566–2576
| doi = 10.1103/PhysRev.129.2566
|bibcode = 1963PhRv..129.2566Z }}</ref>。電子は一般的に {{subatomicParticle|e<!-- electron -->}} で記号化され、陽電子は {{subatomicParticle|e+<!-- positron -->}} で記号化される<ref name="raith" /><ref name="CODATA" />。

電子は {{sfrac|''ħ''|2}} の固有[[角運動量]]またはスピンを持つ<ref name="CODATA" />。この性質は通常、電子を [[スピン-1/2|スピン]][[:en:spin-½|{{sfrac|1|2}}]] の粒子と呼ぶことで説明される<ref name="raith" />。このような粒子の場合、スピンの大きさは {{sfrac|''ħ''|2}} であり<ref name="Gupta2001" />、スピンの任意の軸への[[射影]]の測定結果は ±{{sfrac|''ħ''|2}} のみとなる。スピンに加えて、電子はそのスピン軸に沿って固有の{{Ill2|電子磁気モーメント|en|Electron magnetic moment|label=磁気モーメント}}を持っている<ref name="CODATA" />。これは1[[ボーア磁子]]にほぼ等しく<ref name="Hanneke" />{{efn|ボーア磁子<!-- Bohr magneton -->:
:<math>\textstyle\mu_{\mathrm{B}}=\frac{e\hbar}{2m_{\mathrm{e}}}.</math>}}、{{val|9.27400915|(23)|e=-24|u=[[ジュール]]/[[テスラ]]<!-- [[:en:joule|joule]]s per [[:en:tesla (unit)|tesla]] -->}} に等しい物理定数である<ref name="CODATA" />。電子の運動量に対するスピンの向きは、[[ヘリシティー (素粒子)|ヘリシティ]]と呼ばれる素粒子の性質を定義する<ref name="anastopoulos">{{cite book
| last = Anastopoulos
| first = C.
| year = 2008
| title = Particle Or Wave: The Evolution of the Concept of Matter in Modern Physics
| url = https://books.google.com/books?id=rDEvQZhpltEC&pg=PA261
| publisher = Princeton University Press
| pages = 261–262
| isbn = 978-0-691-13512-0
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2021-01-07
| archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160318/https://books.google.com/books?id=rDEvQZhpltEC&pg=PA261
| url-status = live
}}</ref>。

電子にはよくわかっていない[[プレオン|亜構造]]がある<ref name="prl50">{{cite journal
| last1 = Eichten | first1 = E.J.
| last2 = Peskin | first2 = M.E.
| last3 = Peskin | first3 = M.
| year = 1983
| title = New Tests for Quark and Lepton Substructure
| journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
| volume = 50 | pages = 811–814 | issue = 11
| doi = 10.1103/PhysRevLett.50.811 | bibcode=1983PhRvL..50..811E
| osti = 1446807
| s2cid = 119918703
}}</ref><ref>{{cite journal
| last = Gabrielse | first = G.
| year = 2006
| title = New Determination of the Fine Structure Constant from the Electron ''g'' Value and QED
| journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
| volume = 97 | pages = 030802(1–4)
| doi = 10.1103/PhysRevLett.97.030802
| pmid = 16907491
| bibcode=2006PhRvL..97c0802G
| issue = 3
| s2cid = 763602
|display-authors=etal}}</ref>。それでも[[物性物理学]]では、一部の物質で{{Ill2|スピンと電荷の分離|en|Spin–charge separation}}が起こることが知られている。このような場合、電子は3つの独立した粒子、{{Ill2|スピノン|en|Spinon}}、{{Ill2|オービトン|en|Orbiton}}、{{Ill2|ホロン (物理学)|en|Holon (physics)|label=ホロン}}(またはチャージオン(chargon))に「分裂」する。理論的には、電子は常にこの3つの束縛状態と見なされ、スピノンは電子のスピン、オービトンは軌道の自由度、ホロンは電荷を担うが、特定の条件下では独立した[[準粒子]]としてふるまう場合がある<ref name="bbc">{{cite web |url=https://news.bbc.co.uk/1/hi/england/8227861.stm |title=UK &#124; England &#124; Physicists 'make electrons split' |work=BBC News |date=2009-08-28 |access-date=2016-07-11 |archive-date=2017-08-31 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170831102806/http://news.bbc.co.uk/1/hi/england/8227861.stm |url-status=live }}</ref><ref>[https://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090730141607.htm Discovery About Behavior Of Building Block Of Nature Could Lead To Computer Revolution] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20190404130054/https://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090730141607.htm |date=2019-04-04 }}. ''Science Daily'' (July 31, 2009)</ref><ref name="gov">{{cite web |author=Yarris, Lynn |url=https://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/ALS-spinons-holons.html |title=First Direct Observations of Spinons and Holons |publisher=Lbl.gov |date=2006-07-13 |access-date=2016-07-11 |archive-date=2022-02-24 |archive-url=https://web.archive.org/web/20220224105553/https://www2.lbl.gov/Science-Articles/Archive/ALS-spinons-holons.html |url-status=live }}</ref>。

電子の半径の件は、現代の理論物理学で困難な問題である。電子の半径が有限であるという仮説を認めることは、相対性理論の前提と矛盾する。一方、点のような電子(ゼロ半径)は、電子の[[自己エネルギー]]が無限大になる傾向があるため、深刻な数学的困難を引き起こす<ref>[[:en:Eduard Shpolsky|Eduard Shpolsky]], Atomic physics (Atomnaia fizika), second edition, 1951</ref>。{{Ill2|ペニング・トラップ|en|Penning trap}}内での単一電子の観測によれば、粒子の半径の上限が10<sup>−22</sup>&nbsp;メートルであると示唆される<ref>{{cite journal
| last = Dehmelt | first = H.
| year = 1988
| title = A Single Atomic Particle Forever Floating at Rest in Free Space: New Value for Electron Radius
| journal = [[:en:Physica Scripta|Physica Scripta]]
| volume = T22 | pages = 102–110
| doi = 10.1088/0031-8949/1988/T22/016
|bibcode = 1988PhST...22..102D | s2cid = 250760629
}}</ref>。電子半径の上限である10<sup>−18</sup>&nbsp;メートルは、エネルギーの[[不確定性原理|不確定性関係]]から導き出すことができる<ref>{{cite web |author-link=Gerald Gabrielse |first=Gerald |last=Gabrielse |url=https://gabrielse.physics.harvard.edu/gabrielse/overviews/ElectronSubstructure/ElectronSubstructure.html |title=Electron Substructure |department=Physics |publisher=Harvard University |access-date=2016-06-21 |archive-date=2019-04-10 |archive-url=https://web.archive.org/web/20190410164332/https://gabrielse.physics.harvard.edu/gabrielse/overviews/ElectronSubstructure/ElectronSubstructure.html |url-status=dead }}</ref>。陽子の半径よりはるかに大きな{{val|2.8179|e=-15|u=m}}という値を持つ「[[古典電子半径]]」と呼ばれる物理定数もある。しかし、この用語は[[量子力学]]の影響を無視した単純化された計算に基づくもので、いわゆる古典電子半径は、実際には、電子の真の基本構造とはほとんど関係がない<ref>{{cite book
| last = Meschede
| first = D.
| year = 2004
| title = Optics, light and lasers: The Practical Approach to Modern Aspects of Photonics and Laser Physics
| url = https://books.google.com/books?id=PLISLfBLcmgC&pg=PA168
| publisher = [[:en:Wiley-VCH|Wiley-VCH]]
| page = 168
| isbn = 978-3-527-40364-6
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2014-08-21
| archive-url = https://web.archive.org/web/20140821185221/http://books.google.com/books?id=PLISLfBLcmgC&pg=PA168
| url-status = live
}}</ref><ref name="HakenWolfBrewer2005" />{{efn|古典的な電子の半径は次のように導出される。電子の電荷が球体全体に一様に広がっていると仮定する。球体の一部分は他の部分と反発するので、球体には静電ポテンシャルエネルギーが含まれる。このエネルギーは、[[特殊相対性理論]] (''E''&nbsp;<nowiki>=</nowiki>&nbsp;''mc''<sup>2</sup>) で定義される電子の[[不変質量#静止エネルギー|静止エネルギー]]に等しいと仮定する。<br />
[[静電気学|静電気理論]]から、半径 ''r'' と電荷 ''e'' を持つ球の[[位置エネルギー]]は次式で与えられる:
:<math>E_{\mathrm p} = \frac{e^2}{8\pi \varepsilon_0 r},</math>
ここで ''ε''<sub>0</sub> は[[真空の誘電率]]である。静止質量 ''m''<sub>0</sub> の電子の場合、静止エネルギーは次式に等しい:
:<math>\textstyle E_{\mathrm p} = m_0 c^2,</math>
ここで ''c'' は真空中の光速である。これらを等しく設定し、''r'' について解くと、古典的な電子半径が得られる。<br />
参照: Haken, Wolf, & Brewer (2005).}}

自然[[粒子崩壊|崩壊]]して、より質量の小さい粒子になる[[素粒子]]もある。[[指数関数的減衰#平均寿命|平均寿命]]{{val|2.2|e=-6}}&nbsp;秒の[[ミュー粒子]]がその一例で、電子、[[ミューニュートリノ]]、[[反電子ニュートリノ]]に崩壊する。一方、電子は理論的根拠に基づいて安定していると考えられている。電子は電荷がゼロでない最も質量の小さい粒子であるため、その崩壊は[[電荷保存則]]に反することになる<ref>{{cite journal
| last = Steinberg | first = R.I.
| year = 1999
| title = Experimental test of charge conservation and the stability of the electron
| journal = [[:en:Physical Review D|Physical Review D]]
| volume = 61 | issue = 2 | pages = 2582–2586
| doi = 10.1103/PhysRevD.12.2582
|bibcode = 1975PhRvD..12.2582S |display-authors=etal}}</ref>。電子の平均寿命の実験的な下限は、90%信頼区間で{{val|6.6|e=28}}&nbsp;年である<ref name="bx2015" /><ref>{{cite journal
|author1 = Beringer, J.
|display-authors = etal
|collaboration = Particle Data Group
|year = 2012
|title = Review of Particle Physics: [electron properties]
|journal = [[:en:Physical Review D|Physical Review D]]
|volume = 86
|issue = 1
|pages = 010001
|doi = 10.1103/PhysRevD.86.010001
|bibcode = 2012PhRvD..86a0001B
|url = https://pdg.lbl.gov/2012/listings/rpp2012-list-electron.pdf
|doi-access = free
|access-date = 2022-02-24
|archive-date = 2022-01-15
|archive-url = https://web.archive.org/web/20220115063155/https://pdg.lbl.gov/2012/listings/rpp2012-list-electron.pdf
|url-status = live
}}</ref><ref>{{cite journal
| last1 = Back | first1 = H.O. |display-authors=etal
| year = 2002
| title = Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector
| journal = [[:en:Physics Letters B|Physics Letters B]]
| volume = 525 | issue = 1–2 | pages = 29–40
| doi = 10.1016/S0370-2693(01)01440-X | doi-access = free
| bibcode = 2002PhLB..525...29B
}}</ref>。

=== 量子的性質 ===
すべての粒子と同様に、電子も波としてふるまうことがある。これは[[粒子と波動の二重性]]と呼ばれ、[[二重スリット実験]]で証明することができる。

電子は波動的性質を持つため、古典的な粒子の場合のように1つのスリットだけ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る。量子力学では、1つの粒子の波動的性質は、一般的にギリシャ文字の[[Ψ|プサイ]](''ψ'')で表される[[複素数|複素数値]]関数の「[[波動関数]]」として数学的に記述することができる。この関数の[[絶対値#複素数の絶対値|絶対値]]を[[自乗]]すると、粒子がある場所の近くで観測される確率、すなわち[[確率密度関数|確率密度]]が得られる<ref name="munowitz">{{cite book
| last = Munowitz | first = M.
| year = 2005
| title = Knowing the Nature of Physical Law
| url = https://archive.org/details/knowingnatureofp0000muno
| url-access = registration | page = [https://archive.org/details/knowingnatureofp0000muno/page/162 162] | publisher = Oxford University Press
| isbn = 978-0-19-516737-5
}}</ref>{{rp|162–218}}。
[[File:Asymmetricwave2.png|right|thumb|alt=A three dimensional projection of a two dimensional plot. There are symmetric hills along one axis and symmetric valleys along the other, roughly giving a saddle-shape|{{Ill2|箱の中の粒子|en|Particle in a box|label=1次元の箱}}内の2個の同種[[フェルミ粒子]]の量子状態に対応する反対称波動関数の例。各横軸は1つの粒子の位置に対応する。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[[同種粒子]]であり、固有の物理的性質によって互いに区別することはできない。量子力学の場合、このことは、相互作用する電子のペアが、系の状態に観測可能な変化を与えることなく、位置が置換可能であることを意味する。電子を含むフェルミ粒子の波動関数は反対称であり、2つの電子が入れ替わると符号が変わることを意味する。すなわち、{{nowrap|''ψ''(''r''<sub>1</sub>, ''r''<sub>2</sub>) {{=}} −''ψ''(''r''<sub>2</sub>, ''r''<sub>1</sub>)}} であり、変数 ''r''<sub>1</sub> と ''r''<sub>2</sub> はそれぞれ1番目と2番目の電子に対応する。符号を入れ替えても絶対値は変わらないので、これは等確率に相当する。光子などの[[ボース粒子]](ボソン)はそうではなく、対称的な波動関数を持つ<ref name="munowitz" />{{rp|162–218}}。

反対称の場合、相互作用する電子の波動方程式の解は、それぞれのペアが同じ場所や状態を占める[[ほとんど (数学)#ほとんど確実に|確率はゼロ]]になる。これが、2つの電子が同じ量子状態を占めることができないとする[[パウリの排他原理]]の原因である。この原理は電子の特性の多くを説明している。たとえば、束縛電子のグループがすべて同じ軌道上で重なり合うのではなく、原子内の異なる[[原子軌道|軌道]]を占めるようになる<ref name="munowitz" />{{rp|162–218}}

=== 仮想粒子 ===
{{Main|仮想粒子}}<!-- Virtual particle -->
誤解を招きやすいが、ある側面を説明するのに役立つかもしれない単純化した図を想像してみよう。ここでは、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過ごし、その後ほどなく互いに急速に[[対消滅|消滅]]すると仮定する<ref>{{cite magazine
| last = Kane | first = G.
| date = October 9, 2006
| url = https://www.sciam.com/article.cfm?id=are-virtual-particles-rea&topicID=13
| title = Are virtual particles really constantly popping in and out of existence? Or are they merely a mathematical bookkeeping device for quantum mechanics?
| magazine = [[:en:Scientific American|Scientific American]]
| access-date = 2008-09-19 |df=dmy-all
}}</ref>。これらの粒子を生成するのに必要なエネルギーの変化と、それらが存在する時間との組み合わせは、ハイゼンベルグの[[不確定性関係]] Δ''E''&nbsp;·&nbsp;Δ''t''&nbsp;≥&nbsp;''ħ'' で表される検出可能性の閾値に収まる。事実上、これらの仮想粒子を生成するのに必要なエネルギー Δ''E'' は、その積が[[プランク定数|換算プランク定数]] {{nowrap|''ħ'' ≈ {{val|6.6|e=-16|u=eV·s}}}} を超えないように、期間 Δ''t'' の間、[[量子真空|真空]]から「借りる」ことができる。したがって、仮想電子の場合、Δ''t'' はせいぜい {{val|1.3|e=-21|u=s}}である<ref name="taylor">{{cite book
| last = Taylor
| first = J.
| year = 1989
| chapter = Gauge Theories in Particle Physics
| chapter-url = https://books.google.com/books?id=akb2FpZSGnMC&pg=PA464
| editor = Davies, Paul
| title = The New Physics
| page = 464
| publisher = [[:en:Cambridge University Press|Cambridge University Press]]
| isbn = 978-0-521-43831-5
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2014-09-21
| archive-url = https://web.archive.org/web/20140921171834/http://books.google.com/books?id=akb2FpZSGnMC&pg=PA464
| url-status = live
}}</ref>。
[[File:Virtual pairs near electron.png|right|thumb|alt=A sphere with a minus sign at lower left symbolizes the electron, while pairs of spheres with plus and minus signs show the virtual particles|電子 (左下) の近くにランダムに現れる仮想電子・陽電子対を描いた模式図 ]]
仮想電子-陽電子対が存在する間、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、一方、生成された電子は反発する。これにより、いわゆる[[真空偏極]]が引き起こされる。事実上、真空は[[比誘電率|誘電率]]が[[1]]以上の[[媒質]]のようにふるまう。そのため、電子の実効電荷は実際にはその真値よりも小さく、そしてその電荷は電子からの距離とともに減少する<ref name="genz">{{cite book
| last = Genz | first = H.
| year = 2001
| title = Nothingness: The Science of Empty Space
| pages = 241–243, 245–247
| publisher = [[:en:Da Capo Press|Da Capo Press]]
| isbn = 978-0-7382-0610-3
}}</ref><ref>{{cite news
| last = Gribbin
| first = J.
| date = January 25, 1997
| title = More to electrons than meets the eye
| magazine = [[:en:New Scientist|New Scientist]]
| url = https://www.newscientist.com/article/mg15320662.300-science--more-to-electrons-than-meets-the-eye.html
| access-date = 2008-09-17
| df = dmy-all
| archive-date = 2015-02-11
| archive-url = https://web.archive.org/web/20150211085433/http://www.newscientist.com/article/mg15320662.300-science--more-to-electrons-than-meets-the-eye.html
| url-status = live
}}</ref>。この偏極は、1997年に日本の粒子加速器[[TRISTAN]]を用いて実験的に確認された<ref>{{cite journal
| last1 = Levine | first1 = I. |display-authors=etal
| year = 1997
| title = Measurement of the Electromagnetic Coupling at Large Momentum Transfer
| journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
| volume = 78 | issue = 3 | pages = 424–427
| doi = 10.1103/PhysRevLett.78.424
| bibcode=1997PhRvL..78..424L
}}</ref>。仮想粒子は、電子の質量に匹敵する[[遮蔽効果]]を引き起こす<ref>{{cite conference
| last = Murayama | first = H.
| date =10–17 March 2006
| title = Supersymmetry Breaking Made Easy, Viable and Generic
| conference = Proceedings of the XLIInd Rencontres de Moriond on Electroweak Interactions and Unified Theories
| place = La Thuile, Italy
| arxiv = 0709.3041
| bibcode = 2007arXiv0709.3041M}} — lists a 9% mass difference for an electron that is the size of the [[:en:Planck length|Planck distance]].</ref>。

仮想粒子との相互作用はまた、電子の固有磁気モーメントのボーア磁子からのわずかな(約0.1%)ずれ([[異常磁気モーメント]])も説明する<ref name="Hanneke">{{cite journal
| last1 = Odom | first1 = B. |display-authors=etal
| year = 2006
| title = New Measurement of the Electron Magnetic Moment Using a One-Electron Quantum Cyclotron
| journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
| volume = 97 | issue=3 | pages = 030801
| doi = 10.1103/PhysRevLett.97.030801
| pmid=16907490 | bibcode=2006PhRvL..97c0801O
}}</ref><ref>{{cite journal
| last = Schwinger | first = J.
| year = 1948
| title = On Quantum-Electrodynamics and the Magnetic Moment of the Electron
| journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
| volume = 73 | issue = 4 | pages = 416–417
| doi = 10.1103/PhysRev.73.416 | doi-access = free
| bibcode = 1948PhRv...73..416S}}</ref>。この予測された差異と、実験的に決定された値との極めて正確な一致は、[[量子電磁力学]]の偉大な成果のひとつとみなされている<ref>{{cite book
| last = Huang
| first = K.
| year = 2007
| title = Fundamental Forces of Nature: The Story of Gauge Fields
| url = https://books.google.com/books?id=q-CIFHpHxfEC&pg=PA123
| pages = 123–125
| publisher = [[:en:World Scientific|World Scientific]]
| isbn = 978-981-270-645-4
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071144/https://books.google.com/books?id=q-CIFHpHxfEC&pg=PA123
| url-status = live
}}</ref>。

点粒子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]]における明白なパラドックス(矛盾)は、電子によって生成される電場における[[仮想粒子|仮想光子]]の形成によって説明することができる。[[ヒューリスティック]]に考えると、この光子は電子をジグザグ運動させ([[ツィッターベヴェーグンク]]と呼ぶ)、その結果、[[歳差]]運動を伴う正味の円運動を引き起こすものと見なせる<ref>{{cite journal
| last1 = Foldy | first1 = L.L.
| last2 = Wouthuysen | first2 = S.
| year = 1950
| title = On the Dirac Theory of Spin 1/2 Particles and Its Non-Relativistic Limit
| journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
| volume = 78 | issue = 1 | pages = 29–36
| doi = 10.1103/PhysRev.78.29
|bibcode = 1950PhRv...78...29F }}</ref>。この運動が、電子のスピンと磁気モーメントの両方を生成する<ref name="curtis74" />。原子の場合は、この仮想光子の生成が[[スペクトル線]]で観測される[[ラムシフト|ラム・シフト]]を説明する<ref name="genz" />。[[コンプトン波長]]は、電子のような素粒子の近傍では、エネルギーの不確定性によって電子の近傍に仮想粒子が生成されることを示している。この波長は、素粒子の周囲の近傍に仮想粒子が静的に存在することを説明する。

=== 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を、また負電荷を持つ粒子には斥力(反発力)を及ぼす。非相対論的近似におけるこの力の強さは、[[クーロンの法則|クーロンの逆自乗則]]によって決定される<ref name="Griffiths1998">{{cite book
|last=Griffiths |first=David J.
|title=Introduction to Electrodynamics |edition=3rd
|publisher=Prentice Hall |year=1998
|isbn=978-0-13-805326-0
|url=https://archive.org/details/introductiontoel00grif_0}}</ref>{{rp|pages=58–61}}。電子が運動すると[[磁場]]が発生する<ref name="munowitz" />{{rp|page=140}}。[[アンペールの法則|アンペール・マクスウェルの法則]]は、その磁場と、観測者に対する電子の質量運動、すなわち[[電流]]とを関係づける。この[[電磁誘導|誘導]]の特性は、[[電気モーター]]を駆動する磁場を与える<ref>{{cite book
|last=Crowell
|first=B.
|title=Electricity and Magnetism
|url=https://books.google.com/books?id=s9QWZNfnz1oC&pg=PT129
|pages=129–152
|publisher=Light and Matter
|year=2000
|isbn=978-0-9704670-4-1
|access-date=2020-08-25
|archive-date=2022-02-04
|archive-url=https://web.archive.org/web/20220204083733/https://books.google.com/books?id=s9QWZNfnz1oC&pg=PT129
|url-status=live
}}</ref>。移動する任意の荷電粒子の電磁場は、[[リエナール・ヴィーヘルト・ポテンシャル|リエナール – ヴィーヘルト・ポテンシャル]]で表され、粒子の速度が光の速度([[特殊相対性理論|相対論的]])に近い場合でも有効である<ref name="Griffiths1998" />{{rp|pages=429–434}}。

[[File:Lorentz force.svg|right|thumb|alt=A graph with arcs showing the motion of charged particles|電荷 q を持つ粒子 (左) は、観察者 (画面を見ている人) の方を向いた磁場 ''B'' の中を速度 ''v'' で移動している。電子の場合、''q'' は負なので、上に向かって曲がった軌跡を描く。]]
電子が磁場中を移動するとき、磁場と電子の速度によって定義される平面に対して垂直に作用する[[ローレンツ力]]の影響を受ける。この[[向心力]]により、電子は{{Ill2|ジャイロ半径|en|Gyroradius}}と呼ばれる半径で磁場を通る[[らせん]]状の軌道を描く。この曲線運動による加速によって、電子は放射光の形でエネルギーを放射する<ref>{{cite journal
|last1 = Mahadevan |first1 = R.
|last2 = Narayan |first2 = R.
|last3 = Yi |first3 = I.
|year = 1996
|title = Harmony in Electrons: Cyclotron and Synchrotron Emission by Thermal Electrons in a Magnetic Field
|journal = [[:en:The Astrophysical Journal|The Astrophysical Journal]]
|volume = 465 | pages = 327–337
|arxiv = astro-ph/9601073
|doi = 10.1086/177422 |bibcode=1996ApJ...465..327M
|s2cid = 16324613
}}</ref>{{efn|非相対論的電子からの放射線は[[サイクロトロン放射]]と呼ばれることもある。<!--Radiation from non-relativistic electrons is sometimes termed [[:en:cyclotron radiation|cyclotron radiation]]. -->}}<ref name="munowitz" />{{rp|page=160}}。電子のこのエネルギー放出は、{{Ill2|アブラハム-ローレンツ力|en|Abraham–Lorentz force|label=アブラハム-ローレンツ-ディラック力}}と呼ばれる反力を引き起こし、電子を減速させる摩擦を生じさせる。この力は、電子自身に対するそれ自身の場の{{Ill2|逆反応 (理論物理学)|en|Back-reaction|label=逆反応}}によって引き起こされる<ref>{{cite journal
|last = Rohrlich |first = F.
|year = 1999
|title = The Self-Force and Radiation Reaction
|journal = [[:en:American Journal of Physics|American Journal of Physics]]
|volume = 68 |issue = 12 |pages = 1109–1112
|doi = 10.1119/1.1286430
|bibcode = 2000AmJPh..68.1109R
}}</ref>。
[[File:Bremsstrahlung.svg|thumb|left|upright|alt=A curve shows the motion of the electron, a red dot shows the nucleus, and a wiggly line the emitted photon|原子核の電場によって偏向された電子 ''e'' によって、[[制動放射]]が発生する。エネルギー変化 ''E''<sub>2</sub>&nbsp;−&nbsp;''E''<sub>1</sub> が放出される光子の周波数 ''f'' を決定する。]]
[[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。等速度にある孤立した電子が、真の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、[[エネルギー保存則|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移動させることができる。たとえば、この仮想光子の交換はクーロン力を発生させる<ref>{{cite book
|last=Georgi
|first=H.
|chapter=Grand Unified Theories
|page=427
|editor=Davies, Paul
|title=The New Physics
|chapter-url=https://books.google.com/books?id=akb2FpZSGnMC&pg=PA427
|publisher=Cambridge University Press
|year=1989
|isbn=978-0-521-43831-5
|access-date=2020-08-25
|archive-date=2014-09-21
|archive-url=https://web.archive.org/web/20140921171123/http://books.google.com/books?id=akb2FpZSGnMC&pg=PA427
|url-status=live
}}</ref>。移動する電子が陽子などの荷電粒子によって偏向されると、エネルギー放出が起こる場合がある。電子の減速により[[制動放射]](ブレムスシュトラールング)が放出される<ref>{{cite journal
|last1=Blumenthal |first1= G.J.
|last2=Gould |first2=R.
|year=1970
|title=Bremsstrahlung, Synchrotron Radiation, and Compton Scattering of High-Energy Electrons Traversing Dilute Gases
|journal=[[:en:Reviews of Modern Physics|Reviews of Modern Physics]]
|volume=42 |issue=2 |pages=237–270
|doi=10.1103/RevModPhys.42.237 |bibcode=1970RvMP...42..237B}}</ref>。

光子(光)と孤立電子([[自由電子]])の非弾性衝突を[[コンプトン散乱]]という。この衝突により、粒子間で運動量とエネルギーが移動し、コンプトンシフトと呼ばれる量だけ光子の波長を変化させる{{efn|<!-- The change in wavelength, Δ''λ'', depends on the angle of the recoil, ''θ'', as follows,
:<math>\textstyle \Delta \lambda = \frac{h}{m_{\mathrm{e}}c} (1 - \cos \theta),</math>
where ''c'' is the speed of light in vacuum and ''m''<sub>e</sub> is the electron mass. See Zombeck (2007).<ref name=Zombeck2007 />{{rp|page=393, 396}}-->波長の変化 Δ''λ'' は、衝突の角度 ''θ'' に依存し、次式のようになる。
:<math>\textstyle \Delta \lambda = \frac{h}{m_{\mathrm{e}}c} (1 - \cos \theta),</math>
ここで ''c'' は真空中の光速、''m''<sub>e</sub> は電子の質量である。Zombeck (2007)を参照<ref name=Zombeck2007 />{{rp|page=393, 396}}。}}。この波長シフトの最大値は ''h''/''m''<sub>e</sub>''c'' であり、[[コンプトン波長]]と呼ばれている<ref>{{cite web
|title=The Nobel Prize in Physics 1927
|publisher=[[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
|year=2008
|url=https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1927/
|access-date=2008-09-28
|df=dmy-all
|archive-date=2008-10-24
|archive-url=https://web.archive.org/web/20081024124054/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1927/
|url-status=live
}}</ref>。電子の場合、その値は{{val|2.43|e=-12|u=m}}である<ref name="CODATA" />。光の波長が長い場合(たとえば[[光|可視光]]の波長は0.4–0.7&nbsp;μm)、波長シフトは無視できるほど小さくなる。光と自由電子の間のこのような相互作用は、[[トムソン散乱]]または線形トムソン散乱と呼ばれる<ref name="Chen1998">{{cite journal
|last1=Chen |first1=S.-Y.
|last2=Maksimchuk |first2=A.
|last3=Umstadter |first3=D.
|year=1998
|title=Experimental observation of relativistic nonlinear Thomson scattering
|journal=[[:en:Nature (journal)|Nature]]
|volume=396 |issue=6712 |pages=653–655
|doi=10.1038/25303 |arxiv=physics/9810036
|bibcode=1998Natur.396..653C|s2cid=16080209
}}</ref>。

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]]によって与えられる。この値は、1コンプトン波長分の分離における引力(または斥力)の[[静電エネルギー]]と、電荷の[[静止エネルギー]]の2つのエネルギーの比として表される無次元量である。その値は ''α''&nbsp;≈&nbsp;{{val|7.297353|e=-3}} で与えられ、{{sfrac|1|137}}にほぼ等しい<ref name="CODATA" />。

電子と陽電子が衝突すると{{Ill2|電子-陽電子消滅|en|Electron–positron annihilation|label=互いに消滅}}し、2個あるいはそれ以上のガンマ線光子を発生させる。電子と陽電子の運動量が無視できるほど小さい場合は、消滅によって合計1.022&nbsp;MeVの2-3個のガンマ線光子を生成する代わりに、[[ポジトロニウム]]原子を形成する場合がある<ref>{{cite journal
| last1 = Beringer | first1 = R.
| last2 = Montgomery | first2 = C.G.
| year = 1942
| title = The Angular Distribution of Positron Annihilation Radiation
| journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
| volume = 61 | issue = 5–6 | pages = 222–224
| doi = 10.1103/PhysRev.61.222
| bibcode = 1942PhRv...61..222B }}</ref><ref>{{cite book
| last = Buffa | first = A.
| title = College Physics
| publisher = Prentice Hall | edition = 4th | year = 2000
| isbn = 978-0-13-082444-8
| url = https://archive.org/details/collegephysicsvo00jerr/page/888
| page =888
}}</ref>。一方、高エネルギー光子は、[[対生成]]と呼ばれる過程を経て電子と陽電子に変換されるが、ただし原子核のような荷電粒子が近くに存在する場合に限られる<ref>{{cite journal
| last = Eichler | first = J.
| year = 2005
| title = Electron–positron pair production in relativistic ion–atom collisions
| journal = [[:en:Physics Letters A|Physics Letters A]]
| volume = 347 | issue = 1–3 | pages = 67–72
| doi = 10.1016/j.physleta.2005.06.105
| bibcode = 2005PhLA..347...67E
}}</ref><ref>{{cite journal
| last = Hubbell
| first = J.H.
| year = 2006
| title = Electron positron pair production by photons: A historical overview
| journal = [[:en:Radiation Physics and Chemistry|Radiation Physics and Chemistry]]
| volume = 75
| issue = 6
| pages = 614–623
| bibcode = 2006RaPC...75..614H
| doi = 10.1016/j.radphyschem.2005.10.008
| url = https://zenodo.org/record/1259327
| access-date = 2019-06-21
| archive-date = 2019-06-21
| archive-url = https://web.archive.org/web/20190621192329/https://zenodo.org/record/1259327
| url-status = live
}}</ref>。

[[電弱相互作用]]の理論では、電子の波動関数の[[カイラリティ|左巻き]]成分は、[[電子ニュートリノ]]と[[弱アイソスピン]]二重項を形成する。これは、[[弱い相互作用]]の間、電子ニュートリノは電子のようにふるまうことを意味する。この二重項のいずれかのメンバーは、Wボソン({{SubatomicParticle|Wボソン<!-- W boson -->|link=yes}})を放出または吸収することによって{{Ill2|荷電カレント|en|Charged current|label=荷電カレント相互作用}}を受け、もう一方のメンバーに変換される。Wボソンも電荷を持ち、変換中の正味の変化を打ち消すので、この反応中の電荷は保存される。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、{{SubatomicParticle|Zボソン0<!-- Z boson0 -->|link=yes}}交換を介して[[中性カレント]]相互作用を受けることがあり、これがニュートリノ–電子{{Ill2|弾性散乱|en|Elastic scattering|preserve=1}}の原因となる<ref name="quigg">{{cite conference
|last=Quigg |first=C.
|title=The Electroweak Theory |page=80
|conference=TASI 2000: Flavor Physics for the Millennium
|date=4–30 June 2000
|place=Boulder, Colorado
|arxiv=hep-ph/0204104 |bibcode = 2002hep.ph....4104Q
}}</ref>。
{{clear}}

=== 原子と分子 ===
{{Main|原子}}<!-- Atom -->
[[File:Hydrogen Density Plots.png|right|thumb|upright=1.25|alt=A table of five rows and five columns, with each cell portraying a color-coded probability density|最初のいくつかの水素原子軌道の確率密度を断面で見る。束縛電子のエネルギー準位により、電子が占める軌道が決定され、図の色は所与の位置でその電子が見つかる確率を反映する。]]
電子は吸引性のクーロン力によって[[原子核]]に束縛される。原子核に束縛された1つまたは複数の電子からなる系を[[原子]]と呼ぶ。電子の数が原子核の電荷と異なる場合、その原子は[[イオン]]と呼ばれる。束縛電子の波動的な挙動は、[[原子軌道]]と呼ばれる関数によって記述される。それぞれの軌道は、エネルギー、角運動量、角運動量射影など固有の[[量子数]]の集合を持ち、原子核の周りにはこれらの軌道の離散集合のみが存在する。パウリの排他原理によると、各軌道は最大2個の電子によって占有され、それらの{{Ill2|スピン量子数|en|Spin quantum number|preserve=1}}は異なっていなければならない。

電子は、ポテンシャル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<ref name="Tipler2003" />{{rp|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<ref>{{cite book
| last = Burhop | first = E.H.S.
| author-link = Eric Burhop
| year = 1952
| title = The Auger Effect and Other Radiationless Transitions
| publisher = Cambridge University Press
| pages = 2–3
| isbn = 978-0-88275-966-1
}}</ref>。電子が原子から脱出するためには、その電子のエネルギーを原子との[[イオン化エネルギー|結合エネルギー]]よりも高くしなければならない。たとえば、これは[[光電効果]]で起こり、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<ref name="Tipler2003">{{cite book
| last1=Tipler | first1=Paul
| last2=Llewellyn | first2=Ralph
| title = Modern Physics
| publisher=Macmillan | year=2003 | edition=illustrated
| isbn=978-0-7167-4345-3
}}</ref>{{rp|127–132}}。

電子の軌道角運動量は{{Ill2|角運動量演算子|en|Angular momentum operator#Quantization|label=量子化|preserve=1}}されている。電子は帯電しているため、角運動量に比例した軌道磁気モーメントを生じる。原子の正味の磁気モーメントは、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に比べて無視できる。同じ軌道を占める電子(いわゆる電子対)の磁気モーメントは打ち消し合う<ref>{{cite book
| last = Jiles
| first = D.
| title = Introduction to Magnetism and Magnetic Materials
| url = https://books.google.com/books?id=axyWXjsdorMC&pg=PA280
| pages = 280–287
| publisher = [[:en:CRC Press|CRC Press]]
| year = 1998
| isbn = 978-0-412-79860-3
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2021-01-26
| archive-url = https://web.archive.org/web/20210126003325/https://books.google.com/books?id=axyWXjsdorMC&pg=PA280
| url-status = live
}}</ref>。

原子間の[[化学結合]]は、量子力学の法則で説明される[[電磁相互作用]]の結果として起こる<ref>{{cite book
|last1 = Löwdin
|first1 = P.O.
|last2 = Erkki Brändas
|first2 = E.
|last3 = Kryachko
|first3 = E.S.
|title = Fundamental World of Quantum Chemistry: A Tribute to the Memory of Per-Olov Löwdin
|url = https://books.google.com/books?id=8QiR8lCX_qcC&pg=PA393
|pages = 393–394
|publisher = Springer Science+Business Media
|year = 2003
|isbn = 978-1-4020-1290-7
|access-date = 2020-08-25
|archive-date = 2022-02-04
|archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071147/https://books.google.com/books?id=8QiR8lCX_qcC&pg=PA393
|url-status = live
}}</ref>。最も強い結合は、原子間の電子の[[共有結合|共有]]または{{Ill2|電子移動反応|en|Electron transfer|label=移動|preserve=1}}によって生じ、[[分子]]の形成を可能にする<ref name="Pauling">{{cite book
| last = Pauling | first = L.C.
| title = The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: an introduction to modern structural chemistry
| url = https://archive.org/details/natureofchemical0000paul_3ed/page/4
| url-access = registration | pages =4–10
| publisher = Cornell University Press | edition = 3rd | year = 1960
| isbn = 978-0-8014-0333-0
}}</ref>。分子内では、電子はそれぞれの原子核の影響を受けて移動し、孤立した原子で原子軌道を占めることができるのと同様に、[[分子軌道]]を占有する<ref>{{cite book
| last1 = McQuarrie
| first1 = D.A.
| last2 = Simon
| first2 = J.D.
| title = Physical Chemistry: A Molecular Approach
| url = https://books.google.com/books?id=f-bje0-DEYUC&pg=PA325
| publisher = University Science Books
| year = 1997
| pages = 325–361
| isbn = 978-0-935702-99-6
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2021-01-07
| archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160307/https://books.google.com/books?id=f-bje0-DEYUC&pg=PA325
| url-status = live
}}</ref>。これらの分子構造における根底要因は、[[電子対]]の存在である。電子対は、互いに逆方法のスピンを持つ電子であり、(原子と同様に)パウリ排他原理に反することなく、同じ分子軌道を占めることができる。分子軌道が異なれば、[[電子密度]]の空間分布も異なる。たとえば、結合対(原子を実際に結合させる対)では、電子は原子核間の比較的小さな体積に存在する確率が高い。対照的に非結合対では、電子は原子核の周囲に大きな体積で分布している<ref>{{cite journal
|last=Daudel |first=R.
|year=1974
|title=The Electron Pair in Chemistry
|journal=[[:en:Canadian Journal of Chemistry|Canadian Journal of Chemistry]]
|volume=52 |issue=8 |pages=1310–1320
|doi=10.1139/v74-201
|display-authors=etal
|doi-access=free
}}</ref>。

=== 導電率 ===
[[File:Lightning over Oradea Romania cropped.jpg|right|thumb|alt=Four bolts of lightning strike the ground|[[雷]]放電は主に電子の流れで形成され<ref>{{cite book
| last1 = Rakov
| first1 = V.A.
| last2 = Uman
| first2 = M.A.
| title = Lightning: Physics and Effects
| url = https://books.google.com/books?id=TuMa5lAa3RAC&pg=PA4
| page = 4
| publisher = Cambridge University Press
| year = 2007
| isbn = 978-0-521-03541-5
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2021-01-26
| archive-url = https://web.archive.org/web/20210126003319/https://books.google.com/books?id=TuMa5lAa3RAC&pg=PA4
| url-status = live
}}</ref>、放電に必要な電位は摩擦帯電効果によって発生することができる<ref>{{cite journal
| last1 = Freeman | first1 = G.R.
| last2 = March | first2 = N.H.
| year = 1999
| title = Triboelectricity and some associated phenomena
| journal = [[:en:Materials Science and Technology (journal)|Materials Science and Technology]]
| volume = 15 | issue = 12 | pages = 1454–1458
| doi =10.1179/026708399101505464
| bibcode = 1999MatST..15.1454F
}}</ref><ref>{{cite journal
| last1 = Forward | first1 = K.M.
| last2 = Lacks | first2 = D.J.
| last3 = Sankaran | first3 = R.M.
| year = 2009
| title = Methodology for studying particle–particle triboelectrification in granular materials
| journal = [[:en:Journal of Electrostatics|Journal of Electrostatics]]
| volume = 67 | issue = 2–3 | pages = 178–183
| doi =10.1016/j.elstat.2008.12.002
}}</ref>。]]
もしある物体の電子数が、原子核の正電荷と釣り合うために必要な電子数よりも多いか少ない場合、その物体は正味の電荷を持っている。もし電子が過剰な場合、その物体は負に帯電しているという。一方、電子数が原子核の陽子数より少ない場合、その物体は正に帯電しているという。電子数と陽子数が等しい場合、それらの電荷は互いに打ち消し合い、その物体は電気的に中性であるという。巨視的な物体は、[[摩擦帯電|摩擦帯電効果]]により、摩擦によって電荷を発生することがある<ref>{{cite book
| last = Weinberg | first = S.
| title = The Discovery of Subatomic Particles
| url = https://archive.org/details/discoveryofsubat00wein_0/page/15
| url-access = registration | pages =15–16
| publisher = Cambridge University Press | year = 2003
| isbn = 978-0-521-82351-7
}}</ref>。

真空中を移動する独立した電子は自由電子と呼ばれる。[[金属]]中の電子もまた、自由であるかのようにふるまう。実際には、金属やその他の固体内で一般に電子と呼ばれている粒子は[[準粒子|準電子]]、つまり真の電子と同じ電荷、スピン、磁気モーメントを持つが、質量が異なる可能性がある<ref name="Liang-fu Lou">{{cite book
| last = Lou
| first = L.-F.
| title = Introduction to phonons and electrons
| url = https://books.google.com/books?id=XMv-vfsoRF8C&pg=PA162
| pages = 162, 164
| publisher = [[:en:World Scientific|World Scientific]]
| year = 2003
| isbn = 978-981-238-461-4
| bibcode = 2003ipe..book.....L
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071149/https://books.google.com/books?id=XMv-vfsoRF8C&pg=PA162
| url-status = live
}}</ref>。真空中でも金属中でも、自由電子が移動すると、[[電流]]と呼ばれる電荷の[[フローネットワーク|正味の流れ]]が生じ、磁場が発生する。反対に、磁場の変化によって電流が発生することがある。これらの相互作用は、[[マクスウェルの方程式|マクスウェル方程式]]によって数学的に記述される<ref>{{cite book
| last1 = Guru
| first1 = B.S.
| last2 = Hızıroğlu
| first2 = H.R.
| title = Electromagnetic Field Theory
| url = https://books.google.com/books?id=b2f8rCngSuAC&pg=PA138
| pages = 138, 276
| publisher = Cambridge University Press
| year = 2004
| isbn = 978-0-521-83016-4
}}{{Dead link|date=November 2023 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}</ref>。

各物質は、ある[[温度]]において[[電位]]が印加されたときの電流値を決定する[[電気伝導率]]{{Enlink|Electrical resistivity and conductivity|英語版|en}}という特性を持つ。良導体の例としては銅や金などの金属があげられ、ガラスや[[テフロン]]は不良導体である。[[誘電体]]物質の場合、電子はそれぞれの原子に束縛されたままであり、その物質は[[絶縁体]]としてふるまう。ほとんどの[[半導体]]は、導電性と絶縁性の両極端の中間に位置する可変レベルの導電性を持っている<ref>{{cite book
| last1 = Achuthan
| first1 = M.K.
| last2 = Bhat
| first2 = K.N.
| title = Fundamentals of Semiconductor Devices
| url = https://books.google.com/books?id=REQkwBF4cVoC&pg=PA49
| pages = 49–67
| publisher = [[:en:Tata McGraw-Hill|Tata McGraw-Hill]]
| year = 2007
| isbn = 978-0-07-061220-4
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2021-01-07
| archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160319/https://books.google.com/books?id=REQkwBF4cVoC&pg=PA49
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}}</ref>。一方、[[金属結合|金属]]は、部分的に充填された電子バンドを含む[[バンド構造|電子バンド構造]]を持っている。このようなバンドが存在することで、金属中の電子は自由電子、あるいは[[非局在化電子|非局在電子]]であるかのようにふるまうことができる。これらの電子は特定の原子と結びついていないので、電場が印加される、自由電子と同じように物質中を気体([[フェルミ気体]]という<ref name="ziman">{{cite book
| last = Ziman
| first = J.M.
| title = Electrons and Phonons: The Theory of Transport Phenomena in Solids
| url = https://books.google.com/books?id=UtEy63pjngsC&pg=PA260
| publisher = Oxford University Press
| year = 2001
| page = 260
| isbn = 978-0-19-850779-6
| access-date = 2020-08-25
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| archive-url = https://web.archive.org/web/20220224105543/https://books.google.com/books?id=UtEy63pjngsC&pg=PA260
| url-status = live
}}</ref>)のように自由に移動することができる。

電子と原子の衝突のため、導体中の電子の{{Ill2|ドリフト速度|en|Drift velocity}}はおよそ秒速数ミリメートルである。しかし、物質内のある点における電流の変化がその物質内の他の部分で電流の変化を引き起こす速度、すなわち{{Ill2|伝播速度|en|Velocity factor|label=伝搬速度}}は通常、光速の約75%に達する<ref>{{cite journal
| last = Main
| first = P.
| date = June 12, 1993
| title = When electrons go with the flow: Remove the obstacles that create electrical resistance, and you get ballistic electrons and a quantum surprise
| journal = [[:en:New Scientist|New Scientist]]
| volume = 1887
| page = 30
| url = https://www.newscientist.com/article/mg13818774.500-when-electrons-go-with-the-flow-remove-the-obstacles-thatcreate-electrical-resistance-and-you-get-ballistic-electrons-and-a-quantumsurprise.html
| access-date = 2008-10-09
| df = dmy-all
| archive-date = 2015-02-11
| archive-url = https://web.archive.org/web/20150211085229/http://www.newscientist.com/article/mg13818774.500-when-electrons-go-with-the-flow-remove-the-obstacles-thatcreate-electrical-resistance-and-you-get-ballistic-electrons-and-a-quantumsurprise.html
| url-status = live
}}</ref>。その理由は、電気信号が波として伝播し、その速度は物質の[[比誘電率|誘電率]]に依存することによる<ref>{{cite book
| last = Blackwell
| first = G.R.
| title = The Electronic Packaging Handbook
| url = https://books.google.com/books?id=D0PBG53PQlUC&pg=SA6-PA39
| pages = 6.39–6.40
| publisher = [[:en:CRC Press|CRC Press]]
| year = 2000
| isbn = 978-0-8493-8591-9
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
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| url-status = live
}}</ref>。

金属は比較的優れた熱伝導体であるが、その主な理由は、非局在化した電子が原子間で熱エネルギーを自由に伝達できることにある。ただし、電気伝導率とは異なり、金属の[[熱伝導率]]は温度にほとんど依存しない。このことは、熱伝導率と電気伝導率の比が温度に比例するという[[ウィーデマン・フランツの法則]]によって数学的に表される<ref name="ziman" />。金属格子の熱的乱れによって物質の[[電気抵抗率]]が増加し、電流の温度依存性が生じる<ref name="durrant">{{cite book
| last = Durrant
| first = A.
| title = Quantum Physics of Matter: The Physical World
| url = https://books.google.com/books?id=F0JmHRkJHiUC&pg=PA43
| pages = 43, 71–78
| publisher = CRC Press
| year = 2000
| isbn = 978-0-7503-0721-5
| access-date = 2015-10-16
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| url-status = live
}}</ref>。

物質は、[[臨界点|臨界温度]]と呼ばれる温度以下に冷却されると、[[超伝導]]という過程で、電流に対する抵抗性をすべて失う[[相転移]]を起こすことがある。[[BCS理論]]では、[[クーパー対]]と呼ばれる電子対の運動が、[[フォノン]]と呼ばれる[[格子振動]]を介して近くの物質と結合し、それによって通常は電気抵抗を生じる原子との衝突が回避される<ref>{{cite web
| title = The Nobel Prize in Physics 1972
| publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
| year = 2008
| url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1972/
| access-date = 2008-10-13
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-10-11
| archive-url = https://web.archive.org/web/20081011050516/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1972/
| url-status = live
}}</ref>。クーパー対の半径はおよそ100&nbsp;nmなので、互いに重なり合うことができる<ref>{{cite journal
| last = Kadin | first = A.M.
| title = Spatial Structure of the Cooper Pair
| journal = [[:en:Journal of Superconductivity and Novel Magnetism|Journal of Superconductivity and Novel Magnetism]]
| year = 2007
| volume = 20 | issue = 4 | pages = 285–292
| arxiv = cond-mat/0510279
| doi =10.1007/s10948-006-0198-z
| s2cid = 54948290
}}</ref>。しかしながら、[[高温超伝導]](参考: {{Ill2|非従来型超電導体|en|Unconventional superconductor|label=}})がどのような仕組みで起こるのかは、依然として不明である。

導電性固体内の電子は、それ自体が準粒子であり、[[絶対零度]]に近い温度で密に閉じ込められると、あたかも{{Ill2|スピノン|en|Spinon}}、{{Ill2|オービトン|en|Orbiton}}、{{Ill2|ホロン (物理学)|en|Holon (physics)|label=ホロン}}という3つの[[準粒子]]に分裂したかのようにふるまう<ref>{{cite web
| title = Discovery about behavior of building block of nature could lead to computer revolution
| date = July 31, 2009
| website = [[:en:Science Daily|ScienceDaily]]
| url = https://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090730141607.htm
| access-date = 2009-08-01
| df = dmy-all
| archive-date = 2019-04-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20190404130054/https://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090730141607.htm
| url-status = live
}}</ref><ref>{{cite journal
| last1 = Jompol | first1 = Y. |display-authors=etal
| year = 2009
| title = Probing Spin-Charge Separation in a Tomonaga-Luttinger Liquid
| journal = [[:en:Science (journal)|Science]]
| volume = 325 | issue = 5940 | pages = 597–601
| doi =10.1126/science.1171769
| pmid =19644117 | bibcode = 2009Sci...325..597J |arxiv = 1002.2782
| s2cid = 206193 }}</ref>。スピノンはスピンと磁気モーメントを、オービトンは軌道上の位置を、ホロンは電荷をそれぞれ担う。

=== 運動とエネルギー ===
[[アルベルト・アインシュタイン|アインシュタイン]]の[[特殊相対性理論|特殊相対性]]理論によると、電子の速度が[[光の速さ]]に近づくにつれて、観測者から見た電子の{{Ill2|特殊相対論における質量|en|Mass in special relativity|label=相対論的質量}}は増加し、それによって観測者の座標系内から電子を加速することは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、相対論的な電子、つまり ''c'' に近い速度で移動する電子が、局所的な光速が ''c'' より大幅に小さい水のような誘電体媒質に注入されると、電子は媒体中を一時的に光よりも速く移動する。その電子が媒質と相互作用すると、[[チェレンコフ放射]]と呼ばれる微弱な光を発生させる<ref>{{cite web
| title = The Nobel Prize in Physics 1958, for the discovery and the interpretation of the Cherenkov effect
| publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
| year = 2008
| url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1958/
| access-date = 2008-09-25
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-10-18
| archive-url = https://web.archive.org/web/20081018162638/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1958/
| url-status = live
}}</ref>。
[[File:Lorentz factor.svg|thumb|right|alt=The plot starts at zero and curves sharply upward toward the right|速度の関数としてのローレンツ係数。値1から始まり、''v'' が ''c'' に近づくにつれて無限大になる。]]
特殊相対性理論の効果は、[[ローレンツ因子]]として知られる量に基づいており、<math>\scriptstyle\gamma=1/ \sqrt{ 1-{v^2}/{c^2} }</math> と定義され、ここに ''v'' は粒子の速度である。速度 ''v'' で移動する電子の運動エネルギー ''K''<sub>e</sub> は
:<math>\displaystyle K_{\mathrm{e}} = (\gamma - 1)m_{\mathrm{e}} c^2,</math>
と表され、ここに ''m''<sub>e</sub> は電子の質量である。たとえば、[[スタンフォード線形加速器センター|スタンフォード線形加速器]]は電子を約51&nbsp;GeVまで加速することができる<ref>{{cite web
| date = August 26, 2008
| title = Special Relativity
| publisher = [[:en:SLAC National Accelerator Laboratory|Stanford Linear Accelerator Center]]
| url = https://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/relativity.html
| access-date = 2008-09-25
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-08-28
| archive-url = https://web.archive.org/web/20080828113927/http://www2.slac.stanford.edu/VVC/theory/relativity.html
| url-status = live
}}</ref>。電子は波としてふるまうので、ある速度では特徴的な[[ド・ブロイ波長]]を持つ。これは ''λ''<sub>e</sub>&nbsp;=&nbsp;''h''/''p'' で与えられ、''h'' は[[プランク定数]]、''p'' は運動量である<ref name="de_broglie" />。前述の 51&nbsp;GeVの電子の場合、その波長は約{{val|2.4|e=-17|u=m}}で、原子核の大きさよりもはるかに小さな構造を探索するのに十分に小さい<ref>{{cite book
| last = Adams
| first = S.
| title = Frontiers: Twentieth Century Physics
| url = https://books.google.com/books?id=yIsMaQblCisC&pg=PA215
| page = 215
| publisher = [[:en:CRC Press|CRC Press]]
| year = 2000
| isbn = 978-0-7484-0840-5
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071142/https://books.google.com/books?id=yIsMaQblCisC&pg=PA215
| url-status = live
}}</ref>。

== 形成 ==
[[File:Pair production.png|right|thumb|alt=A photon approaches the nucleus from the left, with the resulting electron and positron moving off to the right|光子が原子核に接近することによって起こる電子と陽電子の[[対生成]]の模式図。稲妻の記号は仮想光子の交換を表し、それにより電気力が作用する。粒子間の角度は非常に小さい<ref>{{cite book
|title=Selected Exercises in Particle and Nuclear Physics
|first1=Lorenzo
|last1=Bianchini
|publisher=Springer
|year=2017
|isbn=978-3-319-70494-4
|page=79
|url=https://books.google.com/books?id=lktADwAAQBAJ&pg=PA79
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|archive-date=2020-01-02
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|url-status=live
}}</ref>。]]

<!-- 電子に焦点を当てたビッグバン理論 Big bang theory with focus on the electron -->
[[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]]である<ref>{{cite book
| last = Lurquin | first = P.F.
| title = The Origins of Life and the Universe
| url=https://archive.org/details/originsoflifet00paul/page/2 |url-access=registration |page=2
| publisher = Columbia University Press | year = 2003
| isbn = 978-0-231-12655-7
}}</ref>。ビッグバンの最初の1ミリ秒では、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]]を超えていた。これらの光子は、互いに反応して電子と陽電子の対を形成するのに十分なエネルギーを持っていた。同様に、陽電子-電子対は互いに[[対消滅]]し、高エネルギー光子を放出した。
: {{SubatomicParticle|光子<!-- photon -->|link=yes}} + {{SubatomicParticle|光子<!-- photon -->}} ↔ {{SubatomicParticle|e+<!-- positron -->|link=yes}} + {{SubatomicParticle|e<!-- electron -->}}

宇宙の進化のこの段階において、電子、陽電子、光子の間の均衡が保たれていた。しかし、15秒が経過すると、宇宙の温度は電子-陽電子対生成が起こりうる閾値を下回った。生き残った電子-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た<ref>{{cite book
| last = Silk | first = J.
| title = The Big Bang: The Creation and Evolution of the Universe
| pages = 110–112, 134–137
| publisher = Macmillan | edition = 3rd | year = 2000
| isbn = 978-0-8050-7256-3
}}</ref>。

理由は不明であるが、この消滅の過程で粒子が反粒子よりも過剰になった。そのため、10億個の電子-陽電子対に対して約1個の電子が生き残った。この過剰は{{Ill2|バリオン非対称性|en|Baryon asymmetry}}として知られる状態で、反陽子に対する陽子の過剰と一致した結果、宇宙の正味の電荷はゼロとなった<ref>{{cite journal
| last1 = Kolb
| first1 = E.W.
| last2 = Wolfram
| first2 = Stephen
| year = 1980
| title = The Development of Baryon Asymmetry in the Early Universe
| journal = [[:en:Physics Letters B|Physics Letters B]]
| volume = 91
| issue = 2
| pages = 217–221
| doi = 10.1016/0370-2693(80)90435-9
| bibcode = 1980PhLB...91..217K
| s2cid = 122680284
| url = https://authors.library.caltech.edu/99675/2/Development%20of%20Baryon%20Asymmetry%20in%20the%20Early%20Universe.pdf
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2020-10-30
| archive-url = https://web.archive.org/web/20201030105942/https://authors.library.caltech.edu/99675/2/Development%20of%20Baryon%20Asymmetry%20in%20the%20Early%20Universe.pdf
| url-status = live
}}</ref><ref>{{cite web
| last = Sather
| first = E.
| date = Spring–Summer 1996
| title = The Mystery of Matter Asymmetry
| url = https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/26/1/26-1-sather.pdf
| periodical = [[:en:Beam Line|Beam Line]]
| publisher = Stanford University
| access-date = 2008-11-01
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-10-12
| archive-url = https://web.archive.org/web/20081012012543/http://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/26/1/26-1-sather.pdf
| url-status = live
}}</ref>。生き残った陽子と中性子は、[[元素合成]]という過程で互いに反応し始め、水素と[[ヘリウム]]の同位体、そして微量の[[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<ref>{{cite arXiv
| last1 = Burles | first1 = S.
| last2 = Nollett | first2 = K.M.
| last3 = Turner | first3 = M.S.
| year = 1999
| title = Big-Bang Nucleosynthesis: Linking Inner Space and Outer Space
|eprint=astro-ph/9903300
}}</ref>。残された中性子は半減期が約1,000秒の[[ベータ崩壊|負のベータ崩壊]]を起こし、
:{{SubatomicParticle|n<!-- Neutron -->|link=yes}} → {{SubatomicParticle|p<!-- Proton -->|link=yes}} + {{SubatomicParticle|e<!-- Electron -->}} + {{SubatomicParticle|反νe<!-- Electron antineutrino -->|link=yes}}
という過程で陽子と電子を放出した。

その後、約30万-40万年の間、過剰な電子は[[原子核]]と結合するにはエネルギーが高すぎるままであった<ref>{{cite journal
| last1 = Boesgaard | first1 = A.M.
| last2 = Steigman | first2 = G.
| year = 1985
| title = Big bang nucleosynthesis – Theories and observations
| journal = [[:en:Annual Review of Astronomy and Astrophysics|Annual Review of Astronomy and Astrophysics]]
| volume = 23 | issue = 2 | pages = 319–378
| bibcode =1985ARA&A..23..319B
| doi =10.1146/annurev.aa.23.090185.001535
}}</ref>。中性原子(陽子と同数の電子が結合した原子)が形成され、膨張する宇宙が放射線を透過するようになった「[[再結合 (宇宙論)|再結合]]」と呼ばれる期間が続いた<ref name="science5789">{{cite journal
| last = Barkana | first = R.
| year = 2006
| title = The First Stars in the Universe and Cosmic Reionization
| journal = [[:en:Science (journal)|Science]]
| volume = 313 | issue = 5789 | pages = 931–934
| doi =10.1126/science.1125644
| pmid =16917052 |arxiv = astro-ph/0608450
| bibcode = 2006Sci...313..931B | citeseerx = 10.1.1.256.7276
| s2cid = 8702746
}}</ref>。
<!-- Stellar -->

ビッグバンからおよそ100万年後、第一世代の[[恒星]]が形成され始めた<ref name="science5789" />。恒星内では、[[恒星内元素合成]]によって<sub>、</sub>原子核の核融合から陽電子が作り出される。これらの反物質粒子は直ちに電子とともに対消滅し、ガンマ線を放出する。正味の結果は、電子数の着実な減少と、それに対応した中性子数の増加である。しかし、[[恒星進化論|恒星の進化]]の過程で、放射性同位元素が合成されることがある。選択された同位体は、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する<ref>{{cite journal | last1 = Burbidge | first1 = E.M. | display-authors = etal | year = 1957 | title = Synthesis of Elements in Stars | journal = [[:en:Reviews of Modern Physics|Reviews of Modern Physics]] | volume = 29 | issue = 4 | pages = 548–647 | doi = 10.1103/RevModPhys.29.547 | bibcode = 1957RvMP...29..547B | url = https://authors.library.caltech.edu/45747/1/BURrmp57.pdf | doi-access = free | access-date = 2019-06-21 | archive-date = 2018-07-23 | archive-url = https://web.archive.org/web/20180723054833/https://authors.library.caltech.edu/45747/1/BURrmp57.pdf | url-status = live }}</ref>。一例として、[[コバルト60]]({{SimpleNuclide|Cobalt|60}})同位体があり、崩壊して[[ニッケル60]]({{SimpleNuclide|Nickel|60}})を生成する<ref>{{cite journal
| last1 = Rodberg | first1 = L.S.
| last2 = Weisskopf | first2 = V.
| year = 1957
| title = Fall of Parity: Recent Discoveries Related to Symmetry of Laws of Nature
| journal = [[:en:Science (journal)|Science]]
| volume = 125 | issue = 3249 | pages = 627–633
| doi =10.1126/science.125.3249.627 | pmid =17810563
| bibcode = 1957Sci...125..627R }}</ref>。

[[File:AirShower.svg|left|thumb|alt=A branching tree representing the particle production|地球大気に衝突した高エネルギー宇宙線によって生成した広域空気シャワー]]
約20[[太陽質量]]を超える恒星は、寿命が尽きると[[重力崩壊]]を起こして[[ブラックホール]]を形成することがある<ref>{{cite journal
| last = Fryer | first = C.L.
| year = 1999
| title = Mass Limits For Black Hole Formation
| journal = [[:en:The Astrophysical Journal|The Astrophysical Journal]]
| volume = 522 | issue = 1 | pages = 413–418
| bibcode = 1999ApJ...522..413F
| doi =10.1086/307647
|arxiv = astro-ph/9902315 | s2cid = 14227409
}}</ref>。[[古典物理学]]によれば、このような巨大な恒星体は、たとえ[[電磁放射線]]でさえも[[シュワルツシルト半径]]を超えて何も逃れられないほど強い[[重力|引力]]を及ぼす。しかし、量子力学的効果により、この距離での[[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[[コンパクト天体|恒星の残骸]]の[[事象の地平面|事象の地平線]]で生成されると考えられている。

事象の地平面近傍で一対の仮想粒子(電子と陽電子など)が作られるとき、無作為で空間的な位置関係によって、それらの一つが外へ放射される可能性がある。このプロセスは[[量子トンネル]]と呼ばれる。ブラックホールの[[重力ポテンシャル]]は、この仮想粒子を現実の粒子に変換するエネルギーを供給し、宇宙空間に放射することを可能とする<ref>{{cite journal
|last1 = Parikh |first1 = M.K.
|last2 = Wilczek |first2 = F.
|year = 2000
|title = Hawking Radiation As Tunneling
|journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
|volume = 85 |issue = 24 |pages = 5042–5045
|doi = 10.1103/PhysRevLett.85.5042 |pmid = 11102182 |hdl = 1874/17028
|bibcode = 2000PhRvL..85.5042P |arxiv = hep-th/9907001
|s2cid = 8013726
}}</ref>。その代わりに、対のもう片方には負のエネルギーが与えられ、その結果、ブラックホールから質量エネルギーが正味で失われる。ホーキング放射の強度は質量が小さくなるにつれて増加し、最終的には[[ブラックホールの蒸発|ブラックホールが蒸発]]し、ついには爆発する<ref>{{cite journal
| last = Hawking | first = S.W.
| year = 1974
| title = Black hole explosions?
| journal = [[:en:Nature (journal)|Nature]]
| volume = 248 | issue=5443 | pages = 30–31
| doi =10.1038/248030a0 |bibcode = 1974Natur.248...30H
| s2cid = 4290107
}}</ref>。

<!-- Other sources -->
[[宇宙線]]は、高エネルギーで宇宙空間を移動する粒子である。{{val|3.0|e=20|u=eV}}もの高いエネルギー事象が記録されている<ref>{{cite journal
| last1 = Halzen | first1 = F. | author-link1 = Francis Halzen
| last2 = Hooper | first2 = D.
| year = 2002
| title = High-energy neutrino astronomy: the cosmic ray connection
| journal = [[:en:Reports on Progress in Physics|Reports on Progress in Physics]]
| volume = 66 | issue = 7 | pages = 1025–1078
| bibcode = 2002RPPh...65.1025H |arxiv = astro-ph/0204527
| doi =10.1088/0034-4885/65/7/201
| s2cid = 53313620 }}</ref>。これらの粒子が[[地球の大気]]中で核子と衝突すると、[[パイ中間子]]を含む粒子の[[空気シャワー|シャワー]]が発生する<ref>{{cite journal
| last = Ziegler | first = J.F.
| year = 1998
| title = Terrestrial cosmic ray intensities
| journal = [[:en:IBM Journal of Research and Development|IBM Journal of Research and Development]]
| volume = 42 | issue = 1 | pages = 117–139
| doi =10.1147/rd.421.0117 | bibcode = 1998IBMJ...42..117Z
}}</ref>。地球の表面から観測される宇宙放射線の半分以上は[[ミュー粒子]]である。ミュー粒子は、パイ中間子の崩壊によって高層大気で生成されるレプトンである。
:{{SubatomicParticle|π-<!-- Pion- -->|link=yes}} → {{SubatomicParticle|μ<!-- Muon -->|link=yes}} + {{SubatomicParticle|反νμ<!-- Muon antineutrino -->|link=yes}}
同様に、ミュー粒子は崩壊して電子または陽電子を形成することがある<ref>{{cite news
| last = Sutton
| first = C.
| date = August 4, 1990
| title = Muons, pions and other strange particles
| url = https://www.newscientist.com/article/mg12717284.700-muons-pions-and-other-strange-particles-.html
| magazine = [[:en:New Scientist|New Scientist]]
| access-date = 2008-08-28
| df = dmy-all
| archive-date = 2015-02-11
| archive-url = https://web.archive.org/web/20150211085842/http://www.newscientist.com/article/mg12717284.700-muons-pions-and-other-strange-particles-.html
| url-status = live
}}</ref>。
:{{SubatomicParticle|μ<!-- Muon -->}} → {{SubatomicParticle|e<!-- Electron -->}} + {{SubatomicParticle|反νe<!-- Electron antineutrino -->|link=yes}} + {{SubatomicParticle|νμ<!-- Muon neutrino -->|link=yes}}

== 観測 ==
[[File:Aurore australe - Aurora australis.jpg|right|thumb|alt=A swirling green glow in the night sky above snow-covered ground|[[オーロラ]]は主に、大気中に放出された高エネルギー電子によって起こる<ref>{{cite press release
|last=Wolpert |first=S.
|date=July 24, 2008
|title=Scientists solve 30 year-old aurora borealis mystery
|publisher=University of California
|url=https://www.universityofcalifornia.edu/news/article/18277
|url-status=dead |access-date=2008-10-11 |df=dmy-all
|archive-url=https://web.archive.org/web/20080817094058/https://www.universityofcalifornia.edu/news/article/18277
|archive-date=August 17, 2008
}}</ref>。]]
電子の遠隔観測をするためには、その放射エネルギーを検出する必要がある。たとえば、{{Ill2|恒星コロナ|en|Stellar corona}}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]]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]](電子密度の同期変動によって引き起こされる波)を起こす場合があり、このとき生成するエネルギー放射は[[電波望遠鏡]]で検出できる<ref>{{cite journal
| last1 = Gurnett | first1 = D.A.
| last2 = Anderson | first2 = R.
| year = 1976
| title = Electron Plasma Oscillations Associated with Type III Radio Bursts
| journal = [[:en:Science (journal)|Science]]
| volume = 194 | issue = 4270 | pages = 1159–1162
| doi =10.1126/science.194.4270.1159 | pmid =17790910
| bibcode = 1976Sci...194.1159G | s2cid = 11401604
}}</ref>。

[[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]]間を遷移するとき、特徴的な周波数の光子の吸収または放出を伴う。たとえば、原子に広域スペクトルを持つ光源を照射すると伝搬光のスペクトル中に明瞭な[[スペクトル線|暗線]]が現れるが、その位置は原子の電子によって吸収される周波数に対応する。各々の元素または分子は、[[水素スペクトル系列|水素のスペクトル系列]]の例のように、特徴的なスペクトル線の集合を示す。これらが検出されれば、その強さと幅を[[分光学]]的に測定することで、物質の組成と物理的性質を決定することができる<ref>{{cite web
| last1 = Martin
| first1 = W.C.
| last2 = Wiese
| first2 = W.L.
| year = 2007
| title = Atomic Spectroscopy: A compendium of basic ideas, notation, data, and formulas
| publisher = [[:en:National Institute of Standards and Technology|National Institute of Standards and Technology]]
| access-date = 2007-01-08
| df = dmy-all
| url = https://physics.nist.gov/Pubs/AtSpec/
| archive-date = 2007-02-08
| archive-url = https://web.archive.org/web/20070208113156/http://physics.nist.gov/Pubs/AtSpec/
| url-status = live
}}</ref><ref>{{cite book
| last = Fowles
| first = G.R.
| title = Introduction to Modern Optics
| pages = 227–233
| publisher = [[:en:Courier Dover|Courier Dover]]
| year = 1989
| isbn = 978-0-486-65957-2
| url = https://books.google.com/books?id=SL1n9TuJ5YMC&pg=PA227
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2021-01-07
| archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160307/https://books.google.com/books?id=SL1n9TuJ5YMC&pg=PA227
| url-status = live
}}</ref>。

実験室の条件下では、エネルギー、スピン、電荷などの特定の特性を測定できる[[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る<ref name="grupen">{{cite journal
| last = Grupen | first = C.
| year = 2000
| title = Physics of Particle Detection
| journal = [[:en:AIP Conference Proceedings|AIP Conference Proceedings]]
| volume = 536 | pages = 3–34
| doi =10.1063/1.1361756 |arxiv = physics/9906063
| bibcode = 2000AIPC..536....3G
| s2cid = 119476972
}}</ref>。[[四重極イオントラップ|パウル・トラップ]]と{{Ill2|ペニング・トラップ|en|Penning trap}}が開発されて、荷電粒子を小さな領域内に長時間閉じ込めることが可能になった。これにより、粒子特性の精密な測定が可能になる。たとえば、ある実験では、ペニング・トラップを使用して1個の電子を10ヶ月間捕捉し続けた<ref name="nobel1989">{{cite web
| title = The Nobel Prize in Physics 1989
| publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
| year = 2008
| url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1989/illpres/
| access-date = 2008-09-24
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-09-28
| archive-url = https://web.archive.org/web/20080928042325/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1989/illpres/
| url-status = live
}}</ref>。電子の磁気モーメントは11桁の精度で測定されており、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<ref>{{cite journal
| last1 = Ekstrom
| first1 = P.
| last2 = Wineland
| first2 = David
| year = 1980
| title = The isolated Electron
| journal = [[:en:Scientific American|Scientific American]]
| volume = 243
| issue = 2
| pages = 91–101
| url = https://tf.nist.gov/general/pdf/166.pdf
| access-date = 2008-09-24
| df = dmy-all
| doi = 10.1038/scientificamerican0880-104
| bibcode = 1980SciAm.243b.104E
| archive-date = 2019-09-16
| archive-url = https://web.archive.org/web/20190916211444/https://tf.nist.gov/general/pdf/166.pdf
| url-status = live
}}</ref>。

2008年2月、スウェーデンの[[ルンド大学]]のチームが、電子のエネルギー分布の最初のビデオ画像を撮影した。科学者たちは、[[アト秒]]パルスと呼ばれる極めて短い閃光を使用し、電子の運動を初めて観測した<ref>{{cite web
| last = Mauritsson | first = J.
| title = Electron filmed for the first time ever
| url = https://www.atto.fysik.lth.se/video/pressrelen.pdf
| publisher = [[:en:Lund University|Lund University]]
| access-date = 2008-09-17 |df=dmy-all
| archive-url = https://web.archive.org/web/20090325194101/https://www.atto.fysik.lth.se/video/pressrelen.pdf
| archive-date = March 25, 2009
}}</ref><ref name="Mauritsson">{{cite journal
| last1 = Mauritsson | first1 = J. |display-authors=etal
| year = 2008
| title = Coherent Electron Scattering Captured by an Attosecond Quantum Stroboscope
| journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
| volume = 100 | issue = 7 | page = 073003
| doi =10.1103/PhysRevLett.100.073003 | bibcode=2008PhRvL.100g3003M
| pmid=18352546 | arxiv = 0708.1060| s2cid = 1357534 }}</ref>。(参考: {{Ill2|アト秒物理学|en|Attosecond physics}})

固体物質中の電子の分布は、[[角度分解光電子分光|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る。この技術は、光電効果を利用して周期構造の数学的表現である[[逆格子ベクトル|逆格子空間]]にある電子の分布を測定し、元の構造を推測するものである。ARPESを使用して、物質内の電子の方向、速度、散乱を決定することができる<ref>{{cite journal
| last = Damascelli | first = A.
| year = 2004
| title = Probing the Electronic Structure of Complex Systems by ARPES
| journal = [[:en:Physica Scripta|Physica Scripta]]
| volume = T109 | pages = 61–74
| doi =10.1238/Physica.Topical.109a00061
| arxiv = cond-mat/0307085 |bibcode = 2004PhST..109...61D | s2cid = 21730523
}}</ref>。

== プラズマの応用 ==

=== 粒子線 ===
[[File:Nasa Shuttle Test Using Electron Beam full.jpg|right|thumb|alt=A violet beam from above produces a blue glow about a Space shuttle model|[[アメリカ航空宇宙局|NASA]]の[[風洞]]実験では、[[スペースシャトル]]の模型に電子線を照射し、[[大気圏再突入]]時の[[電離気体]]の影響を模擬実験している<ref>{{cite web
|title=Image # L-1975-02972
|department=[[:en:Langley Research Center|Langley Research Center]]
|publisher= [[:en:NASA|NASA]] |date=April 4, 1975
|url=https://grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2000-003012.html
|url-status=dead |access-date=2008-09-20 |df=dmy-all
|archive-url=https://web.archive.org/web/20081207041522/https://grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2000-003012.html
|archive-date=December 7, 2008
}}</ref>。]]

[[電子線]]は[[電子ビーム溶接|溶接]]に使われる<ref>{{cite web
| last = Elmer | first = J.
| title = Standardizing the Art of Electron-Beam Welding
| publisher=[[:en:Lawrence Livermore National Laboratory|Lawrence Livermore National Laboratory]]
| date=March 3, 2008
| url = https://www.llnl.gov/str/MarApr08/elmer.html
|url-status=dead | access-date = 2008-10-16 |df=dmy-all
| archive-url=https://web.archive.org/web/20080920142328/https://www.llnl.gov/str/MarApr08/elmer.html
|archive-date=2008-09-20}}</ref>。この手法は、{{nowrap|0.1–1.3 mm}}の狭い焦点径で最大{{val|e=7|u=W·cm<sup>−2</sup>}}のエネルギー密度を可能にし、{{Ill2|溶加材|en|Filler metal}}を通常必要としない。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に真空中で行わなければならないが、他の溶接方法が適さないとされる導電性物質の接合にも使用できる<ref>{{cite book
| last = Schultz
| first = H.
| title = Electron Beam Welding
| pages = 2–3
| publisher = [[:en:Woodhead Publishing|Woodhead Publishing]]
| year = 1993
| isbn = 978-1-85573-050-2
| url = https://books.google.com/books?id=I0xMo28DwcIC&pg=PA2
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204084011/https://books.google.com/books?id=I0xMo28DwcIC&pg=PA2
| url-status = live
}}</ref><ref>{{cite book
| last = Benedict
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| title = Nontraditional Manufacturing Processes
| series = Manufacturing engineering and materials processing
| volume = 19
| page = 273
| publisher = [[:en:CRC Press|CRC Press]]
| year = 1987
| isbn = 978-0-8247-7352-6
| url = https://books.google.com/books?id=xdmNVSio8jUC&pg=PA273
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204084012/https://books.google.com/books?id=xdmNVSio8jUC&pg=PA273
| url-status = live
}}</ref>。

[[電子線リソグラフィ]](EBL)は、半導体を[[マイクロメートル]]未満の分解能でエッチングする方法である<ref>{{cite conference
| last = Ozdemir | first = F.S.
| title = Electron beam lithography | pages = 383–391
| conference = Proceedings of the 16th Conference on Design automation
| date = June 25–27, 1979 | place = San Diego, CA
| publisher = [[:en:IEEE Press|IEEE Press]]
| url = https://portal.acm.org/citation.cfm?id=800292.811744
| access-date = 2008-10-16 |df=dmy-all
}}</ref>。この技術の制限として、高コスト、低速、真空中で電子線の操作を必要とすること、固体中で電子線が散乱しやすいことなどがあげられる。最後の問題のために分解能は約10&nbsp;nmに制限される。このため、EBLは主に少数の特殊な[[集積回路]]の製造に使用される<ref>{{cite book
| last = Madou
| first = M.J.
| title = Fundamentals of Microfabrication: the Science of Miniaturization
| pages = 53–54
| publisher = CRC Press
| edition = 2nd
| year = 2002
| isbn = 978-0-8493-0826-0
| url = https://books.google.com/books?id=9bk3gJeQKBYC&pg=PA53
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2021-01-07
| archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160805/https://books.google.com/books?id=9bk3gJeQKBYC&pg=PA53
| url-status = live
}}</ref>。

{{Ill2|電子線加工|en|Electron-beam processing}}は、物質の物理的物性を変化させたり、医療製品や食品を[[殺菌|滅菌]]するために使用される<ref>{{cite conference
| last1 = Jongen | first1 = Y.
| last2 = Herer | first2 = A.
| title=[no title cited]
| conference = Electron Beam Scanning in Industrial Applications
| department = APS/AAPT Joint Meeting
| date =2–5 May 1996
| publisher = [[:en:American Physical Society|American Physical Society]]
| bibcode =1996APS..MAY.H9902J
}}</ref>。電子線は、集中的な照射で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<!--quasi-melt -->させる。たとえば、集中的な電子線照射は、粘度を何桁も低下させ、活性化エネルギーを段階的に低下させる<ref>{{cite journal
| last1 = Mobus | first1 = G. | display-authors = etal
| year = 2010
| title = Nano-scale quasi-melting of alkali-borosilicate glasses under electron irradiatio
| journal = Journal of Nuclear Materials
| volume = 396 | issue = 2–3 | pages = 264–271
| doi = 10.1016/j.jnucmat.2009.11.020
| bibcode = 2010JNuM..396..264M }}</ref>。

{{Ill2|線形粒子加速器|en|Linear particle accelerator}}は、[[放射線療法]]で表在性腫瘍を治療するための電子線を発生させる。{{Ill2|電子線治療|en|Electron therapy}}によって[[基底細胞癌]]などの皮膚病変を治療できる理由は、電子線が吸収される前に限られた深さまでしか透過しないためである(通常、エネルギー範囲が5–20&nbsp;MeVの電子線で5&nbsp;cmまで)。電子線は、[[X線]]が照射された部位の治療を補完するために使われる<ref>{{cite journal
| last1 = Beddar | first1 = A.S.
| last2 = Domanovic | first2 = Mary Ann
| last3 = Kubu | first3 = Mary Lou
| last4 = Ellis | first4 = Rod J.
| last5 = Sibata | first5 = Claudio H.
| last6 = Kinsella | first6 = Timothy J.
| title = Mobile linear accelerators for intraoperative radiation therapy
| journal = [[:en:AORN Journal|AORN Journal]] | year = 2001
| volume = 74 | issue = 5 | pages = 700–705
| doi =10.1016/S0001-2092(06)61769-9
| pmid = 11725448
}}</ref><ref>{{cite web
| last1 = Gazda
| first1 = M.J.
| last2 = Coia
| first2 = L.R.
| date = June 1, 2007
| title = Principles of Radiation Therapy
| url = https://www.thymic.org/uploads/reference_sub/02radtherapy.pdf
| access-date = 2013-10-31
| df = dmy-all
| archive-date = 2013-11-02
| archive-url = https://web.archive.org/web/20131102114151/http://www.thymic.org/uploads/reference_sub/02radtherapy.pdf
| url-status = live
}}</ref>。

[[粒子加速器]]は、電場を使用して電子とその反粒子を高エネルギーまで加速する。これらの粒子は磁場を通過する際に放射光を放出する。この放射光強度のスピン依存性が電子線を偏極させる({{Ill2|ソコロフ-テルノフ効果|en|Sokolov–Ternov effect}}{{efn|電子線の偏極とは、すべての電子のスピンが一方向を向くことを意味する。言い換えれば、すべての電子のスピンの運動量ベクトルへの投影は同じ符号を持つ。<!-- The polarization of an electron beam means that the spins of all electrons point into one direction. In other words, the projections of the spins of all electrons onto their momentum vector have the same sign. -->}}として知られる)。偏極電子線はさまざまな実験に役立っている。[[放射光]]([[シンクロトロン]]放射)はまた、粒子の運動量の広がりを抑えるために電子線を{{Ill2|放射減衰|en|Radiation damping|label=冷却}}することもできる。電子線や陽電子線は、粒子が必要なエネルギーまで加速されると衝突する。[[粒子検出器]]は、[[素粒子物理学]]の研究でエネルギー放出を観測する機器である<ref>{{cite book
| last1 = Chao
| first1 = A.W.
| last2 = Tigner
| first2 = M.
| title = Handbook of Accelerator Physics and Engineering
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| url = https://books.google.com/books?id=Z3J4SjftF1YC&pg=PA155
| publisher = [[:en:World Scientific|World Scientific]]
| year = 1999
| isbn = 978-981-02-3500-0
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071146/https://books.google.com/books?id=Z3J4SjftF1YC&pg=PA155
| url-status = live
}}</ref>。

=== イメージング ===
[[低速電子線回折|低速電子線回折法]](LEED)は、{{Ill2|コリメート光 (物理学)|en|Collimated beam|label=平行化}}した電子線を結晶性物質に照射し、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ある。必要な電子エネルギーは通常20-200 eVの範囲である<ref>{{cite book
| last = Oura | first = K.
| title = Surface Science: An Introduction
| pages = 1–45
| publisher = [[:en:Springer Science+Business Media|Springer Science+Business Media]] | year = 2003
| isbn = 978-3-540-00545-2
|display-authors=etal}}</ref>。[[反射高速電子線回折|反射高速電子線回折法]](RHEED)は、さまざまな低角度で発射された電子線の反射を利用して、結晶性物質の表面の特性を調べる手法である。ビームエネルギーは通常8-20 keVで、入射角は1–4°である<ref>{{cite book
| last1 = Ichimiya
| first1 = A.
| last2 = Cohen
| first2 = P.I.
| title = Reflection High-energy Electron Diffraction
| page = 1
| publisher = Cambridge University Press
| year = 2004
| isbn = 978-0-521-45373-8
| url = https://books.google.com/books?id=AUVbPerNxTcC&pg=PA1
| access-date = 2020-08-25
| archive-date = 2022-02-04
| archive-url = https://web.archive.org/web/20220204084445/https://books.google.com/books?id=AUVbPerNxTcC&pg=PA1
| url-status = live
}}</ref><ref>{{cite journal
| last = Heppell | first = T.A.
| year = 1967
| title = A combined low energy and reflection high energy electron diffraction apparatus
| journal = [[:en:Measurement Science and Technology|Journal of Scientific Instruments]]
| volume = 44 | issue = 9 | pages = 686–688
| doi =10.1088/0950-7671/44/9/311
| bibcode = 1967JScI...44..686H
}}</ref>。

[[電子顕微鏡]]は、集束した電子線を試料に照射する。一部の電子線は、試料と相互作用するとき、進行方向、角度、相対的な位相、エネルギーなどの特性を変化させる。顕微鏡技師は、このような電子線の変化を記録して、物質の原子レベルに解像された画像を生成することができる<ref>{{cite web
| last = McMullan
| first = D.
| title = Scanning Electron Microscopy: 1928–1965
| publisher = University of Cambridge
| year = 1993
| url = https://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/mcmullan/mcm.htm
| access-date = 2009-03-23
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| archive-date = 2009-03-16
| archive-url = https://web.archive.org/web/20090316071650/http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/mcmullan/mcm.htm
| url-status = live
}}</ref>。従来の[[光学顕微鏡]]の回折限界分解能は、青色光の場合で約200&nbsp;nmであった<ref>{{cite book
| last = Slayter
| first = H.S.
| title = Light and electron microscopy
| page = 1
| publisher = Cambridge University Press
| year = 1992
| isbn = 978-0-521-33948-3
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}}</ref>。それに比較して、電子顕微鏡は電子の[[ド・ブロイ波|ド・ブロイ波長]]の制限を受ける。たとえば、10万[[ボルト (単位)|ボルト]]の電位で加速された電子の場合、その波長は0.0037&nbsp;nmに相当する<ref>{{cite book
| last = Cember
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| title = Introduction to Health Physics
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| publisher = [[:en:McGraw-Hill|McGraw-Hill Professional]]
| year = 1996
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}}</ref>。{{Ill2|透過型電子収差補正顕微鏡|en|Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope}}は、0.05&nbsp;nm以下の分解能があり、個々の原子を分解するには十分なほどである<ref>{{cite journal
|last1 = Erni
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|display-authors = etal
|year = 2009
|title = Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe
|journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
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|bibcode = 2009PhRvL.102i6101E
|pmid = 19392535
|url = https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc927376/
|access-date = 2018-08-17
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}}</ref>。この能力により、電子顕微鏡は高分解能イメージングにおいて有用な実験機器となっている。しかし、電子顕微鏡は維持費もかかる高価な装置である。

電子顕微鏡には、主に[[透過型電子顕微鏡|透過型]]と[[走査型電子顕微鏡|走査型]]の2種類がある。透過型電子顕微鏡は、[[プロジェクタ]]のように機能し、電子線が試料の薄片を通過し、レンズによって[[リバーサルフィルム|写真フイルム]]や[[電荷結合素子]]の上に投影される。走査型電子顕微鏡では、テレビジョンと同様に精密に収束された電子線で試料を[[ラスタースキャン|走査]]して画像を生成する。倍率はどちらも100倍-100万倍以上の範囲にわたる。[[走査型トンネル顕微鏡]]はこれらとは異なり、鋭利な金属[[探針]]から試料への電子の量子トンネルを利用し、試料表面の原子レベルで解像された画像を生成することができる<ref name="bozzola_1999">{{cite book
| last1 = Bozzola
| first1 = J.J.
| last2 = Russell
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| title = Electron Microscopy: Principles and Techniques for Biologists
| pages = 12, 197–199
| publisher = [[:en:Jones & Bartlett Learning|Jones & Bartlett Publishers]]
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| isbn = 978-0-7637-0192-5
| url = https://books.google.com/books?id=RqSMzR-IXk0C&pg=PA12
| access-date = 2020-08-25
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}}</ref><ref>{{cite book
| last1 = Flegler | first1 = S.L.
| last2 = Heckman | first2 = J.W. Jr.
| last3 = Klomparens | first3 = K.L.
| title = Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction
|publisher=Oxford University Press |edition=Reprint |year=1995
| pages = 43–45
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}}</ref><ref>{{cite book
| last1 = Bozzola
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| title = Electron Microscopy: Principles and Techniques for Biologists
| page = 9
| publisher = [[:en:Jones & Bartlett Learning|Jones & Bartlett Publishers]]
| edition = 2nd
| year = 1999
| isbn = 978-0-7637-0192-5
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}}</ref>。

=== その他の用途 ===
[[自由電子レーザー]](FEL)では、磁場が交互に配置された{{Ill2|双極子磁石|en|Dipole magnet}}の配列を挟む一対の{{Ill2|アンジュレータ|en|Undulator|preserve=1}}に、{{Ill2|相対論的電子線|en|Relativistic electron beam}}を通過させる。電子は放射光を放出し、その放射光は同じ電子と[[コヒーレンス|コヒーレント]]に相互作用して、{{Ill2|共振|en|Resonance|label=共振周波数|preserve=1}}の放射場を強く増幅する。FELは、[[マイクロ波]]から軟X線までの幅広い周波数にわたって、コヒーレントな高[[放射輝度|輝度]]電磁放射を放出することができる。これらの装置は、製造、通信、軟部組織手術などの医療用途で使用されている<ref>{{cite book
| last1 = Freund
| first1 = H.P.
| last2 = Antonsen
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| title = Principles of Free-Electron Lasers
| pages = 1–30
| publisher = [[:en:Springer Science+Business Media|Springer]]
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}}</ref>。

[[陰極線管]]は、実験器具、[[ディスプレイ (コンピュータ)|コンピューターモニター]]、[[テレビ受像機|テレビジョン受像機]]の表示装置として広く使用されていて、電子が重要な役割を担っている<ref>{{cite book
| last = Kitzmiller | first = J.W.
| title = Television Picture Tubes and Other Cathode-Ray Tubes: Industry and Trade Summary
| pages = 3–5
| publisher = Diane Publishing | year = 1995
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}}</ref>。[[光電子増倍管]]では、{{Ill2|光電陰極|en|Photocathode}}に当たった光子が電子の雪崩を引き起こし、検出可能な電流パルスを生成する<ref>{{cite book
| last = Sclater | first = N.
| title = Electronic Technology Handbook
| pages = 227–228
| publisher = [[:en:McGraw-Hill|McGraw-Hill Professional]] | year = 1999
| isbn = 978-0-07-058048-0
}}</ref>。[[真空管]]は電子の流れを利用して電気信号を操作するもので、エレクトロニクス技術の発展において重要な役割を果たした。しかし、その大部分は、[[トランジスタ]]などの{{Ill2|固体電子工学|en|Solid-state electronics|label=固体素子}}に取って代わられた<ref>{{cite web
| title = The History of the Integrated Circuit
| url = https://nobelprize.org/educational_games/physics/integrated_circuit/history/
| publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
| year = 2008
| access-date = 2008-10-18
| df = dmy-all
| archive-date = 2008-12-01
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}}</ref>。

== 関連項目 ==
{{Portal box|エレクトロニクス|物理学|自然科学}}
{{cmn|colwidth=18em|
* [[エニオン]] - 2次元系でのみ観測される準粒子の一種
* [[ベータ粒子]] - β崩壊という原子核の放射性崩壊で放出される高エネルギーで高速の電子または陽電子
* [[電子化物]] - 電子が陰イオンの役割を果たすイオン性化合物
* {{Ill2|電子バブル|en|Electron bubble}} - ネオンやヘリウムなどの極低温ガスや液体中の自由電子の周囲に生じる空虚な空間
* {{Ill2|エキソ電子放射|en|Exoelectron emission}} - 前処理(照射、変形など)された物体からのみ生じる弱い電子放出
* [[g因子|''g''因子]] - 原子や粒子、原子核の磁気モーメントと角運動量を特徴づける無次元量
* [[レプトン (素粒子)|レプトン]] - 強い相互作用を受けない半整数のスピン(スピン[[:en:spin-½|{{sfrac|1|2}}]])を持つ素粒子
* [[物理学における粒子の一覧]] - 既知あるいは仮説の粒子 (英語版 [[:en:List of particles|List of particles]] が優れる)
* [[単一電子宇宙仮説]] - すべての電子と陽電子は、実際には時間を前後する1つの実体の発露であるとする仮説
* {{Ill2|小分子の周期系|en|Periodic systems of small molecules}} - 元素の周期表と同じような分子の図表
* [[スピントロニクス]] - 固体素子における基本的な電子電荷に加え、固有スピンとそれに関連する磁気モーメントを研究する学問分野
* [[シュテルン=ゲルラッハの実験]] - 原子のスピンが量子化されることを示した1922年の物理実験
* [[タウンゼント放電]] - 気体のイオン化プロセスの一種
* [[ゼーマン効果]] - 静磁場の存在下でスペクトル線がいくつかの成分に分裂する効果
* [[陽電子]](または反電子) - 電子の反粒子(または反物質)
}}

== 注記 ==
{{notelist|25em}}


== 脚注 ==
== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{Reflist|group="注"}}
=== 出典 ===
{{Reflist|2}}


{{reflist|25em|refs=
== 参考文献 ==

=== 原論文 ===
<ref name="anastopoulos1">{{cite book
* {{Cite journal|doi=10.1021/ja02261a002|volume=38|issue=4|pages=762–785|last=Lewis|first=Gilbert N.|authorlink=ギルバート・ルイス|url=http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja02261a002|title=The Atom and the Molecule.|format=[[Portable Document Format|PDF]]|journal=[[米国化学会誌|Journal of the American Chemical Society]]|date=January 26, 1916|lccn=16003159|oclc=1226990|issn=0002-7863|ref=harv}}
| last = Anastopoulos
* {{Cite journal|journal=[[:en:Philosophical Magazine|Philosophical Magazine]]|last=Thomson|first=J. J.|authorlink=ジョゼフ・ジョン・トムソン|series=Series 6|volume=7|issue=39|month=March|year=1904|pages=237-265|url=http://www.if.ufrj.br/~crenato/FIW590_FisModB/Thomson%20PhilMag%20S6%20Vol%207,%20Issue%2039,%20pag%20237%20%281904%29.pdf|title=XXIV. On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure|format=[[Portable Document Format|PDF]]|doi=10.1080/14786440409463107|issn=1478-6435|lccn=2003249007|oclc=476300855|archiveurl=https://web.archive.org/web/20151224171323/http://www.if.ufrj.br/~crenato/FIW590_FisModB/Thomson%20PhilMag%20S6%20Vol%207,%20Issue%2039,%20pag%20237%20%281904%29.pdf|archivedate=2015年12月24日|ref=harv}}
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| title = Dictionary of Word Origins
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<ref name="buchwald1">{{cite book
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<ref name=HakenWolfBrewer2005>{{cite book
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<ref name=thomson>{{cite journal
| last = Thomson
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| year = 1897
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}}</ref>

<!--<ref name=CODATA2018>{{cite web
|first1=P.J. |last1=Mohr
|first2=B.N. |last2=Taylor
|first3=D.B. |last3=Newell
|title=2018 CODATA recommended values
|others=This database was developed by J. Baker, M. Douma, and S. Kotochigova.
|department=National Institute of Standards and Technology
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</ref>-->

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=== 書籍 ===
== 推薦文献 ==
{{ページ番号|section=1|date=2017年5月10日 (水) 08:06 (UTC)}}
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* {{Cite book|和書|last=新井|first=朝雄|authorlink=新井朝雄|date=2000-08|title=フォック空間と量子場|volume=上巻|publisher=[[日本評論社]]|series=数理物理シリーズ|id={{全国書誌番号|20094951}}|isbn=978-4535783171|ncid=BA47827882|oclc=835858506|asin=4535783179|ref=harv}}
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* {{Cite book|和書|author=ヘリガ・カーオ|title=20世紀物理学史―理論・実験・社会―|volume=上巻|translator=岡本 拓司・有賀 暢迪・稲葉 肇|publisher=[[名古屋大学出版会]]|date=2015-07-01|id={{全国書誌番号|22615747}}|isbn=978-4815808099|ncid=BB18929784|oclc=919566015|asin=4815808090}}
* {{Cite book|和書|author=ヘリガ・カーオ|title=20世紀物理学史―理論・実験・社会―|volume=下巻|translator=岡本 拓司・有賀 暢迪・稲葉 肇|publisher=[[名古屋大学出版会]]|date=2015-07-01|id={{全国書誌番号|22615751}}|isbn=978-4815808105|ncid=BB18929784|oclc=913193126|asin=4815808104}}
* {{Cite book|和書|author=ヘリガ・カーオ|title=20世紀物理学史―理論・実験・社会―|volume=下巻|translator=岡本 拓司・有賀 暢迪・稲葉 肇|publisher=[[名古屋大学出版会]]|date=2015-07-01|id={{全国書誌番号|22615751}}|isbn=978-4815808105|ncid=BB18929784|oclc=913193126|asin=4815808104}}

== 関連項目 ==
{{ウィキポータルリンク|エレクトロニクス}}
{{Commonscat|Electrons}}
* [[電子波]]
* [[電子線]] - [[電子線回折]]
* [[陽電子]]
* [[ブラウン管]] - [[陰極線]]
* [[電子顕微鏡]]
* [[原子]] - [[陽子]] - [[中性子]]
* [[光電子]]
* [[電子雲]]
* [[熱電子]]
* [[電子管]]
* [[電子回路]]
* [[粒子発見の年表]]


== 外部リンク ==
== 外部リンク ==
{{Wikiquote}}
{{EB1911 poster|Electron}}
{{Commons category|Electrons}}
* {{cite web |title=The Discovery of the Electron (電子の発見) |publisher=[[米国物理学協会]] |department=物理学史センター<!-- Center for History of Physics --> |url=https://history.aip.org/exhibits/electron/ |access-date=2005-07-20}}{{En icon}}
* {{cite web |title=Particle Data Group (素粒子データグループ) |publisher=[[カリフォルニア大学]]<!-- University of California --> |url=https://pdg.lbl.gov/ |access-date=2003-07-26}}{{En icon}}

* {{cite book |last1=Bock |first1=R.K. |last2=Vasilescu |first2=A. |title=The Particle Detector BriefBook |publisher=Springer |edition=14th |year=1998 |isbn=978-3-540-64120-9 |url=https://physics.web.cern.ch/ParticleDetector/BriefBook/|洋書 |archive-url=https://web.archive.org/web/20080526082325/http://rkb.home.cern.ch/rkb/titleD.html |archive-date=2008-05-26}}{{En icon}}

* {{cite web |last=Copeland |first=Ed |title=Spherical Electron (球状電子) |url=https://www.sixtysymbols.com/videos/electron_sphere.htm |website=Sixty Symbols (60のシンボル) |publisher=[[:en:Brady Haran|Brady Haran]] |access-date=2013-04-26}}{{En icon}}

* {{Cite web
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|title= Fundamental Physical Constants — Atomic and Nuclear Constants
|title= Fundamental Physical Constants — Atomic and Nuclear Constants (物理定数 — 原子定数および核定数)
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|url= http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?muemsmub
|title= CODATA Value: electron magnetic moment to Bohr magneton ratio
|accessdate= 2019-08-14
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2024年5月30日 (木) 20:36時点における版

電子
Electron
エネルギー準位別の水素原子軌道。色が濃い領域ほど電子が見つかりやすい。
組成 素粒子 [1]
粒子統計 フェルミ粒子
グループ レプトン
世代 第一世代
相互作用 弱い相互作用, 電磁気, 重力
反粒子 陽電子[注釈 1]
理論化 リチャード・レミング英語版 (1838–1851),[2]
G.ジョンストン・ストーニー (1874) など[3][4]
発見 ジョゼフ・ジョン・トムソン (1897)[5]
記号 e
 
, β
 
質量 9.1093837015(28)×10−31 kg
5.48579909065(16)×10−4 Da
[1822.888486209(53)]−1 Da[注釈 2]
0.51099895000(15) MeV/c2
平均寿命 > 6.6×1028 [6] (stable)
電荷 −1 e
1.602176634×10−19 C
磁気モーメント9.2847647043(28)×10−24 J/T
−1.00115965218128(18) µB[7]
スピン  1 /2 ħ
弱アイソスピン LH: − 1 /2, RH: 0
弱超電荷 LH: −1, RH: −2
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標準模型
標準模型素粒子

電子(でんし、: electrone
 
or β
 
)は、負の1電気素量を持つ亜原子粒子である[8]。電子はレプトン粒子族の第一世代に属し[9]、構成要素や内部構造が知られていないことから、一般に素粒子であると考えられている[1]。電子の質量陽子のおよそ1/1836英語版である[10]。電子の量子力学的な性質には、半整数固有角運動量スピン)があり、値は換算プランク定数 ħ の単位で表される。フェルミ粒子である電子は、パウリの排他原理により、2つの電子が同じ量子状態を占めることはできない[9]。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す。すなわち、電子は他の粒子と衝突したり、光のように回折することができる。電子の波動特性は、中性子や陽子などの他の粒子よりも実験的に観測しやすい。それは、電子は質量が小さいので、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である。

電子は、電気磁気化学熱伝導性など数多くの物理現象において重要な役割を担い、また、重力電磁気弱い相互作用にも関与している[11]。電子は電荷を持っているため、その周囲には電場が生じる。電子が観測者に対して相対的に動いている場合、観測者はその電子が磁場を発生させているのを観測するだろう。別の発生源から生成する電磁場は、ローレンツ力の法則に従って電子の運動に影響を与える。電子が加速されると光子の形でエネルギーを放出または吸収する。

実験室用の機器は、電磁場を利用して、個々の電子や電子プラズマを捕捉することができる。特殊な望遠鏡を使って宇宙空間の電子プラズマを検出することができる。電子は、トライボロジーや摩擦帯電、電気分解、電気化学、バッテリー技術エレクトロニクス溶接陰極線管、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ガスイオン化検出器英語版粒子加速器など、多くの用途に関わっている。

電子と他の亜原子粒子との相互作用は、化学原子核物理学などの分野で着目されている。原子核内の正電荷をもつ陽子と、原子核外の負電荷をもつ電子との間で起こるクーロン相互作用により、原子と呼ばれる双方の構成体が作られる。イオン化、あるいは負の電子と正の原子核の割合の違いにより、原子系の結合エネルギーが変化する。2つ以上の原子間における電子の交換あるいは共有が、化学結合を形成する主要因となる[12]

1838年、イギリスの自然哲学者リチャード・レミング英語版は、原子の化学的性質英語版を説明するために、不可分の電荷量という概念を初めて提案した[3]。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、1891年に、この電荷を「electron(エレクトロン)」と命名し、J. J. トムソンと彼が率いたイギリスの物理学者チームは1897年に、陰極線管の実験でこの電荷が粒子であることを同定した[5]

電子は、恒星内における元素合成のような核反応にも、ベータ粒子という形で関与している。電子は、放射性同位元素ベータ崩壊や、宇宙線が大気圏に突入したときの高エネルギー衝突によって生成される。電子の反粒子陽電子と呼ばれ、逆符号の電荷英語版を持つこと除いて、電子と同じである。電子が陽電子と衝突英語版すると、両方の粒子が消滅英語版してガンマ線光子が発生する。

歴史

電気力の効果の発見

古代ギリシャ人英語版は、琥珀(こはく)が毛皮で擦られたときに、小さなものを引き寄せることに気づいた。この現象は、と並んで、人類が電気について記録した最も古い体験のひとつである[13]。イギリスの科学者ウィリアム・ギルバートは、1600年の著作『De Magnete(磁石論)』の中で、擦った後に小さなものを引き付ける琥珀に似た性質を持つ物質を指すために、新ラテン語英語版の「electrica(エレクトリカ)」という言葉を作った[14]英語の electricelectricity も、ラテン語の ēlectrum同名の合金英語版の語源でもある)に由来し、ギリシャ語で琥珀を意味する ἤλεκτρονēlektron)に由来する。

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・フェは、帯電した金箔が絹で擦ったガラスに反発するのに対し、帯電した同じ金箔が羊毛で擦った琥珀に引き付けられることを発見した。デュ・フェは、この実験と類似の他の実験結果から、電気は2つの電気流体英語版、すなわち絹で擦ったガラスのガラス電気(vitreous fluid)と羊毛で擦った琥珀の樹脂電気(resinous fluid)から構成されていると結論づけた。これらの2つの流体は、組み合わさると互いを中和することができる[14][15]。その後、アメリカの科学者 Ebenezer Kinnersley も独自に同じ結論に達した[16]:118。それから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電気流体ではなく、過剰(+)または不足(−)を示す単一の電気流体であると提案した。彼は、これら2つの電荷にそれぞれ、正(positive)と負(negative)という現代の電荷命名法を与えた[17]。フランクリンは電荷担体を正であると考えていたが、どの状況が電荷担体の過剰で、どの状況が不足であるかを正しく認識していなかった[18]

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・レミング英語版は、原子は物質の核を単位電荷を持つ亜原子粒子が取り囲んで構成しているという考えを発展させた[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・ヴェーバーは、電気は正と負に帯電した流体で構成され、その相互作用は逆二乗則に支配されていると理論化した。1874年に電気分解現象を研究した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、一価イオンの電荷という「単一の明確な電気量」の存在を示唆した。彼は、ファラデーの電気分解の法則によって、この素電荷 e の値を推定することができた[19]。しかし、ストーニーは、これらの電荷は原子に永続的に結びついており、分離することはできないと信じていた。1881年、ドイツの物理学者ヘルマン・フォン・ヘルムホルツは、正の電荷も負の電荷も根元部(こんげんぶ)に分割され、それぞれが「電気の原子のようにふるまう」と主張した[3]

ストニーは1881年に electrolion(エレクトロリオン)という言葉を初めて作った。10年後、彼はこれらの素電荷を説明するために electron(エレクトロン)に切り替え、1894年に「この最も注目すべき電気の基本単位の実際の量が推定され、それ以来、私はあえて electron という名前を提言することにした。」と述べている。ヘンドリック・ローレンツelectrion を支持したため、名前を electrion に変更するという1906年の提案は失敗に終わった[20][21]。この electron という用語は、electric (電気を帯びた)と ion (帯電状態の粒子)という単語の組み合わせである[22]。今日、陽子(proton)や中性子(neutron)など他の亜原子粒子を表すのに使われている接尾辞 -on は、同様に electron から派生したものである[23][24]

物質外の自由電子の発見

A round glass vacuum tube with a glowing circular beam inside
磁場によって円形に偏向された電子線[25]

1859年、ドイツの物理学者ユリウス・プリュッカー英語版は、希薄気体中英語版電気伝導率英語版を研究していたとき、陰極から放出された放射線が陰極付近の管壁に燐光を発生させ、磁場の印加によって燐光の領域が移動することを観察した[26]。1869年、プリュッカーの教え子、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物を置くと、管の燐光領域に影を落とすことを発見した。ヒットルフは、陰極から放出される光線には直進性があり、燐光は管壁に当たった光線によって引き起こされると推測した。1876年、ドイツの物理学者オイゲン・ゴルトシュタインは、光線が陰極表面に対して垂直に放出されることを示し、陰極から放出される光線を白熱光と区別した。ゴルトシュタインはこの光線を陰極線と名付けた[27][28]:393J. J. トムソンによる最終的な電子の発見には、陰極線に関する数十年にわたる実験的および理論的研究が重要であった[3]

1870年代、イギリスの化学者で物理学者でもあるウィリアム・クルックスは、内部を高真空にした最初の陰極線管を開発した[29]。そして1874年、彼は陰極線が進路上に置かれた小さな羽根車を回転させることを示した。そして彼は、この光線には運動量があると結論づけた。さらに、磁場をかけることで光線を偏向させることができ、光線が負に帯電しているかのようにふるまうことを実証した[27]。彼は1879年に、陰極線が第4番目の物質状態にある負に帯電した気体分子から構成されると見なし、粒子の平均自由行程が衝突を無視できるほど非常に長いと考えることによって、これらの特性を説明できると提案した[28]:394–395

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発展させ、陰極線と平行に金属板を置き、板の間に電位を加えた[30]。電場は光線を正電荷を帯びた板に向かって偏向させ、光線が負電荷を帯びていることのさらなる証拠となった。1890年、シュスターは、与えられた電場磁場に対する偏向量を測定することによって、光線成分の電荷質量比[注釈 3]を推定することができた。しかし、その値は予想よりも1000倍以上大きかったため、当時は彼の計算はほとんど信用されなかった[27]。なぜなら、電荷担体ははるかに重い水素原子や窒素原子であると考えられていたからである[30]。しかし、シュスターの推定はその後、ほぼ正しいことが判明する。

1892年、ヘンドリック・ローレンツは、これらの粒子(すなわち電子)の質量は、その電荷に帰着する可能性があることを示唆した[31]

J. J. 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とき、それが外部エネルギー源にさらされなくても放射線を発することを発見した。これらの放射性物質は、それらが粒子を放出することを発見した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科学者達にとって多くの関心の対象となった。彼は、これらの粒子を、物質を透過する能力に基づいてアルファおよびベータと命名した[32]。1900年、ベクレルは、ラジウムが放出するベータ線が電場によって偏向され、その質量電荷比は陰極線のそれと同じであることを示した[33]。この証拠により、電子は原子の構成要素として存在するという見方が強まった[34][35]

1897年、イギリスの物理学者J. J. トムソンは、同僚のジョン・タウンゼントハロルド・ウィルソン英語版とともに、陰極線が実際には例を見ない粒子であり、以前信じられてきたような波動でも原子でも分子でもないことを示す実験を行った[5]。トムソンは、彼自身「corpuscles(微粒子)」と呼んだ陰極線粒子の電荷 e と質量 m の両方を正確に推定し、その質量は、既知の最小質量の水素イオンのおそらく1/1000であることを発見した[5]。彼は、その電荷質量比 e/m が、陰極の物質に依存しないことを示した。さらに彼は、放射性物質、加熱した物質、照射した物質から放出される負電荷を帯びた粒子が普遍的であることを示した[5][36]。科学界は、ジョージ・フィッツジェラルドジョゼフ・ラーモアヘンドリック・ローレンツらが主導した提唱によって、これを「電子(electron)」と命名した[37]:273。同年、エミール・ヴィーヘルトウォルター・カウフマン英語版e/m 比を計算したが、その結果を新たな粒子を示すものとして解釈することはしなかった。その後、J. J. トムソンは1899年に電子の電荷と質量をそれぞれ、e~6.8×10−10 esu、 m~3×10−26 gと推定した[38][39]

ロバート・ミリカン

電子の電荷は、アメリカの物理学者ロバート・ミリカンハーヴェイ・フレッチャーが1909年に行った油滴実験でより精密に測定され、その結果は1911年に発表された。この実験では、帯電した油滴が重力によって落下するのを防ぐために電場が用いられた。この装置は、わずか1個-150個のイオンの電荷を、0.3%未満の誤差で測定することができた。同様の実験は、トムソンのチームによって電気分解で生じた帯電した水滴の雲を用いて先行しており[5]、1911年にはアブラム・ヨッフェが、帯電した金属微粒子を用いてミリカンと同じ結果を独自に得、1913年に結果を発表している[40]。しかし、水滴よりも油滴の方が蒸発速度が遅いため安定性が高く、長時間におよぶ精密な実験に適していた[41]

20世紀の初頭、特定の条件下で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荷電粒子の軌跡を撮影できるようにした[42]

原子論

Three concentric circles about a nucleus, with an electron moving from the second to the first circle and releasing a photon
数値 n量子化されたエネルギーを持った電子の状態を示すボーアの原子モデル。より低い軌道に落ちた電子は、軌道間のエネルギー差に等しい光子を放出する。

1914年までに、物理学者アーネスト・ラザフォードヘンリー・モーズリージェイムス・フランクグスタフ・ヘルツらによる実験によって、原子の構造は、正電荷を帯びた高密度の原子核を低質量の電子が取り囲んだ形であることがほぼ確立された[43]。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で存在し、そのエネルギーは原子核の周囲を回る電子の軌道の角運動量によって決まると仮定した。電子は、特定の周波数の光子を放出または吸収することによって、その状態(または軌道)の間を移動することができる。彼は、これらの量子化された軌道を使って、水素原子のスペクトル線を正確に説明した[44]。しかし、ボーアのモデルはスペクトル線の相対強度を説明することに失敗し、より複雑な原子のスペクトルを説明することができなかった[43]

原子間の化学結合は、1916年にギルバート・ニュートン・ルイスによって説明された。彼は、2つの原子間の共有結合は、その間で共有される1対の電子(電子対と呼ぶ)によって保持されると提案した[45]。その後、1927年にヴァルター・ハイトラーフリッツ・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の完全な説明を行った[46]。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詳しく調べ、すべての電子は連続する「同心円状の(ほぼ)球殻に分布し、その厚さはすべて等しい」ことを示唆した[47]。次に、その殻をいくつかの区画に分割し、それぞれが1対の電子を含むとした。ラングミュアはこのモデルを使用して、周期律に従ってほぼ繰り返されることが知られていた周期表の[46]、全ての元素の化学的性質英語版を定性的に説明することができた[48]

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、各状態をわずか1個の電子が占有している場合に限り、すべての量子エネルギー状態を定義する4つの因子の集合によって説明できることを発見した。同一の量子エネルギー状態を複数の電子が占めることを禁じるこの原則は、パウリの排他原理として知られるようになった[49]。2つの異なる値を持った第4の因子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・ゴーズミットジョージ・ウーレンベックによって説明された。1925年、彼らは、電子はその軌道の角運動量に加え、固有の角運動量と磁気双極子モーメントを持っていることを示唆した[43][50]。これは、太陽の周りを公転する地球の自転と似ている。この固有角運動量はスピンと呼ばれるようになり、これまで謎であった、高分解能分光器で観測されるスペクトル線の分裂を説明することが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[51]

量子力学

フランスの物理学者、ルイ・ド・ブロイは、1924年の学位論文『Recherches sur la théorie des quanta(量子理論の研究)』の中で、すべての物質はのようにド・ブロイ波として表現できるという仮説を立てた[52]。つまり、適切な条件下では、電子やその他の物質は粒子か波のいずれかの性質を示すことになる。粒子の粒子的性質は、任意の時点に、粒子がその軌道に沿った空間内の局所的な位置にあることを示すことで立証される[53]。光の波動的性質は、たとえば光線を平行スリットに通過させ、それによる干渉パターンを作り出すことで示される。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(Alexander Reid)は、電子線を薄いセルロイド箔、後には金属膜を通過させると干渉効果が生じることを発見し、また、アメリカの物理学者クリントン・デイヴィソンレスター・ガーマーは、ニッケルの結晶からの電子の反射によって干渉効果が生じることを発見した[54]。トムソンの大学院生であったアレクサンダー・リードが最初の実験を行ったが、その後、彼は交通事故で亡くなり[55]、ほとんど言及されていない。

A spherically symmetric blue cloud that decreases in intensity from the center outward
量子力学では、原子中の電子の挙動は軌道(軌道というよりもむしろ確率分布)によって記述される。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地点で「見つかる」相対確率を示している。

エルヴィン・シュレーディンガーは、ド・ブロイによる電子の波動性の予測をもとに、原子核の影響下で運動する電子の波動方程式を仮定した。1926年、この方程式、すなわちシュレーディンガー方程式は、電子波がどのように伝播するかを記述することに成功した[56]。この波動方程式は、時間の経過に伴う電子の位置を決定する解を与えるのではなく、むしろ時間的に変化しない電子の位置、特に電子が空間内で束縛される位置の近くで電子を見つける確率を予測するために使われた。この方法は、量子力学の第二の定式化につながり(第一の定式化は1925年、ハイゼンベルクによる)、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、1913年にボーアが初めて導出したものと等価であり、水素スペクトルの再現で知られていた水素原子中の電子のエネルギー状態を導出した[57]。スピン、そして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の原子における電子の配置を予測することを可能にした[58]

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、電磁場の量子力学のハミルトニアン形式に相対論的考察および対称性考察を適用することで、相対性理論と一致する電子のモデル、すなわちディラック方程式を作り出した[59]。ディラックは1930年に、彼の相対論的方程式内のいくつかの問題を解決するために、後にディラックの海と呼ばれる、真空を負のエネルギーを持つ粒子による無限の海とするモデルを開発した。彼はこれによって、電子の反物質である陽電子の存在を予言した[60]。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た。アンダーソンは、標準的な電子を negatrons (ネガトロン)と呼び、正と負に帯電した多様体を総称して electron(電子)と呼ぶことを提案した[61]

1947年、ウィリス・ラムは大学院生のロバート・レザフォード英語版と共同で、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相互にずれていることを発見した。この違いはラム・シフトと呼ばれるようになった。ほぼ同時期に、ポリカプ・クッシュヘンリー・M・フォーリー英語版は共同で、電子の磁気モーメントがディラックの理論で予測されるものよりわずかに大きいことを発見した。このわずかな差は、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。この違いはその後、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・ファインマンによって開発された量子電気力学の理論によって説明された[62]

粒子加速器

20世紀前半の粒子加速器が開発されると、物理学者は亜原子粒子の性質を深く掘り下げるようになった[63]電磁誘導を使って電子を加速する最初の試みは、1942年、ドナルド・カースト英語版によってなされた。彼の最初のベータトロンは2.3 MeVのエネルギーに達し、その後のベータトロンは300 MeVを達成した。1947年、ゼネラル・エレクトリックの70 MeV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た。この放射は、光速に近い速度で移動する電子が、磁場を通過して加速されることによって引き起こされた[64]

1968年、1.5 GeVのビームエネルギーを持った最初の高エネルギー粒子衝突型加速器英語版であるADONE英語版の運用が始まった[65]。この装置は、電子と陽電子を反対方向に加速させることで、静止した標的に電子を衝突させる場合と比べ、衝突エネルギーを実質的に2倍にした[66]。1989年から2000年まで運用されていたCERN大型電子陽電子衝突型加速器英語版(LEP)は209 GeVの衝突エネルギーを達成し、素粒子物理学の標準模型にとって重要な測定を行った[67][68]

個々の電子の閉じ込め

現在では、−269 °C(4 K)から約−258 °C(15 K)までの極低温で動作する超小型(L = 20 nm, W = 20 nmCMOSトランジスタに、個々の電子を容易に閉じ込められるようになった[69]。電子の波動関数は半導体格子中に広がり、価電子帯電子との相互作用は無視できるほどなので、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。

特徴

分類

A table with four rows and four columns, with each cell containing a particle identifier
素粒子の標準模型。左側に電子がある (記号e)。

素粒子物理学の標準模型において、電子は、レプトンと呼ばれる亜原子粒子のグループに属し、基本粒子あるいは素粒子であると考えられている。電子は、荷電レプトン(あらゆる種類の電荷を帯びた粒子)の中で最も質量が小さく、第1世代の基本粒子に属する[70]。第2世代と第3世代には、荷電レプトン、ミュー粒子タウ粒子があり、それらは電荷、スピン相互作用において電子と同じであるが、より大きな質量を持つ。レプトンは、強い相互作用を持たないという点で、物質の他の基本構成要素であるクォークとは異なる。レプトン族のすべてのメンバーは、すべて半奇数スピンを持っているのでフェルミ粒子であり、電子は スピン1/2 を持つ[71]

基本的性質

電子の不変質量は約 9.109×10−31 キログラム[72]、または5.489×10−4 原子質量単位である。質量とエネルギーの等価性により、これは 0.511 MeV (8.19×10−14 J)静止エネルギーに相当する。

陽子と電子の質量の比は約1836である[10][73]。天文学的な測定によれば、陽子と電子の質量比英語版は、標準模型で予測されているように、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[74]

電子は −1.602176634×10−19 クーロン電荷を持ち[72]、これは亜原子粒子の電荷の標準単位としても使われ、素電荷(あるいは電気素量)とも呼ばれる。実験精度の範囲内では、電子の電荷は陽子の電荷と同じであるが、符号は逆である[75]。電子は一般的に e
 
で記号化され、陽電子は e+
 
で記号化される[71][72]

電子は ħ/2 の固有角運動量またはスピンを持つ[72]。この性質は通常、電子を スピン1/2 の粒子と呼ぶことで説明される[71]。このような粒子の場合、スピンの大きさは ħ/2 であり[76]、スピンの任意の軸への射影の測定結果は ±ħ/2 のみとなる。スピンに加えて、電子はそのスピン軸に沿って固有の磁気モーメント英語版を持っている[72]。これは1ボーア磁子にほぼ等しく[77][注釈 4]9.27400915(23)×10−24 ジュール/テスラ に等しい物理定数である[72]。電子の運動量に対するスピンの向きは、ヘリシティと呼ばれる素粒子の性質を定義する[78]

電子にはよくわかっていない亜構造がある[1][79]。それでも物性物理学では、一部の物質でスピンと電荷の分離英語版が起こることが知られている。このような場合、電子は3つの独立した粒子、スピノン英語版オービトン英語版ホロン英語版(またはチャージオン(chargon))に「分裂」する。理論的には、電子は常にこの3つの束縛状態と見なされ、スピノンは電子のスピン、オービトンは軌道の自由度、ホロンは電荷を担うが、特定の条件下では独立した準粒子としてふるまう場合がある[80][81][82]

電子の半径の件は、現代の理論物理学で困難な問題である。電子の半径が有限であるという仮説を認めることは、相対性理論の前提と矛盾する。一方、点のような電子(ゼロ半径)は、電子の自己エネルギーが無限大になる傾向があるため、深刻な数学的困難を引き起こす[83]ペニング・トラップ英語版内での単一電子の観測によれば、粒子の半径の上限が10−22 メートルであると示唆される[84]。電子半径の上限である10−18 メートルは、エネルギーの不確定性関係から導き出すことができる[85]。陽子の半径よりはるかに大きな2.8179×10−15 mという値を持つ「古典電子半径」と呼ばれる物理定数もある。しかし、この用語は量子力学の影響を無視した単純化された計算に基づくもので、いわゆる古典電子半径は、実際には、電子の真の基本構造とはほとんど関係がない[86][87][注釈 5]

自然崩壊して、より質量の小さい粒子になる素粒子もある。平均寿命2.2×10−6 秒のミュー粒子がその一例で、電子、ミューニュートリノ反電子ニュートリノに崩壊する。一方、電子は理論的根拠に基づいて安定していると考えられている。電子は電荷がゼロでない最も質量の小さい粒子であるため、その崩壊は電荷保存則に反することになる[88]。電子の平均寿命の実験的な下限は、90%信頼区間で6.6×1028 年である[6][89][90]

量子的性質

すべての粒子と同様に、電子も波としてふるまうことがある。これは粒子と波動の二重性と呼ばれ、二重スリット実験で証明することができる。

電子は波動的性質を持つため、古典的な粒子の場合のように1つのスリットだけ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る。量子力学では、1つの粒子の波動的性質は、一般的にギリシャ文字のプサイψ)で表される複素数値関数の「波動関数」として数学的に記述することができる。この関数の絶対値自乗すると、粒子がある場所の近くで観測される確率、すなわち確率密度が得られる[91]:162–218

A three dimensional projection of a two dimensional plot. There are symmetric hills along one axis and symmetric valleys along the other, roughly giving a saddle-shape
1次元の箱英語版内の2個の同種フェルミ粒子の量子状態に対応する反対称波動関数の例。各横軸は1つの粒子の位置に対応する。粒子の位置が入れ替わると、波動関数の符号は反転する。

電子は同種粒子であり、固有の物理的性質によって互いに区別することはできない。量子力学の場合、このことは、相互作用する電子のペアが、系の状態に観測可能な変化を与えることなく、位置が置換可能であることを意味する。電子を含むフェルミ粒子の波動関数は反対称であり、2つの電子が入れ替わると符号が変わることを意味する。すなわち、ψ(r1, r2) = −ψ(r2, r1) であり、変数 r1r2 はそれぞれ1番目と2番目の電子に対応する。符号を入れ替えても絶対値は変わらないので、これは等確率に相当する。光子などのボース粒子(ボソン)はそうではなく、対称的な波動関数を持つ[91]:162–218

反対称の場合、相互作用する電子の波動方程式の解は、それぞれのペアが同じ場所や状態を占める確率はゼロになる。これが、2つの電子が同じ量子状態を占めることができないとするパウリの排他原理の原因である。この原理は電子の特性の多くを説明している。たとえば、束縛電子のグループがすべて同じ軌道上で重なり合うのではなく、原子内の異なる軌道を占めるようになる[91]:162–218

仮想粒子

誤解を招きやすいが、ある側面を説明するのに役立つかもしれない単純化した図を想像してみよう。ここでは、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過ごし、その後ほどなく互いに急速に消滅すると仮定する[92]。これらの粒子を生成するのに必要なエネルギーの変化と、それらが存在する時間との組み合わせは、ハイゼンベルグの不確定性関係 ΔE · Δt ≥ ħ で表される検出可能性の閾値に収まる。事実上、これらの仮想粒子を生成するのに必要なエネルギー ΔE は、その積が換算プランク定数 ħ6.6×10−16 eV·s を超えないように、期間 Δt の間、真空から「借りる」ことができる。したがって、仮想電子の場合、Δt はせいぜい 1.3×10−21 sである[93]

A sphere with a minus sign at lower left symbolizes the electron, while pairs of spheres with plus and minus signs show the virtual particles
電子 (左下) の近くにランダムに現れる仮想電子・陽電子対を描いた模式図

仮想電子-陽電子対が存在する間、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、一方、生成された電子は反発する。これにより、いわゆる真空偏極が引き起こされる。事実上、真空は誘電率1以上の媒質のようにふるまう。そのため、電子の実効電荷は実際にはその真値よりも小さく、そしてその電荷は電子からの距離とともに減少する[94][95]。この偏極は、1997年に日本の粒子加速器TRISTANを用いて実験的に確認された[96]。仮想粒子は、電子の質量に匹敵する遮蔽効果を引き起こす[97]

仮想粒子との相互作用はまた、電子の固有磁気モーメントのボーア磁子からのわずかな(約0.1%)ずれ(異常磁気モーメント)も説明する[77][98]。この予測された差異と、実験的に決定された値との極めて正確な一致は、量子電磁力学の偉大な成果のひとつとみなされている[99]

点粒子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白なパラドックス(矛盾)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することができる。ヒューリスティックに考えると、この光子は電子をジグザグ運動させ(ツィッターベヴェーグンクと呼ぶ)、その結果、歳差運動を伴う正味の円運動を引き起こすものと見なせる[100]。この運動が、電子のスピンと磁気モーメントの両方を生成する[9]。原子の場合は、この仮想光子の生成がスペクトル線で観測されるラム・シフトを説明する[94]コンプトン波長は、電子のような素粒子の近傍では、エネルギーの不確定性によって電子の近傍に仮想粒子が生成されることを示している。この波長は、素粒子の周囲の近傍に仮想粒子が静的に存在することを説明する。

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を、また負電荷を持つ粒子には斥力(反発力)を及ぼす。非相対論的近似におけるこの力の強さは、クーロンの逆自乗則によって決定される[101](pp58–61)。電子が運動すると磁場が発生する[91](p140)アンペール・マクスウェルの法則は、その磁場と、観測者に対する電子の質量運動、すなわち電流とを関係づける。この誘導の特性は、電気モーターを駆動する磁場を与える[102]。移動する任意の荷電粒子の電磁場は、リエナール – ヴィーヘルト・ポテンシャルで表され、粒子の速度が光の速度(相対論的)に近い場合でも有効である[101](pp429–434)

A graph with arcs showing the motion of charged particles
電荷 q を持つ粒子 (左) は、観察者 (画面を見ている人) の方を向いた磁場 B の中を速度 v で移動している。電子の場合、q は負なので、上に向かって曲がった軌跡を描く。

電子が磁場中を移動するとき、磁場と電子の速度によって定義される平面に対して垂直に作用するローレンツ力の影響を受ける。この向心力により、電子はジャイロ半径英語版と呼ばれる半径で磁場を通るらせん状の軌道を描く。この曲線運動による加速によって、電子は放射光の形でエネルギーを放射する[103][注釈 6][91](p160)。電子のこのエネルギー放出は、アブラハム-ローレンツ-ディラック力英語版と呼ばれる反力を引き起こし、電子を減速させる摩擦を生じさせる。この力は、電子自身に対するそれ自身の場の逆反応英語版によって引き起こされる[104]

A curve shows the motion of the electron, a red dot shows the nucleus, and a wiggly line the emitted photon
原子核の電場によって偏向された電子 e によって、制動放射が発生する。エネルギー変化 E2 − E1 が放出される光子の周波数 f を決定する。

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。等速度にある孤立した電子が、真の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移動させることができる。たとえば、この仮想光子の交換はクーロン力を発生させる[105]。移動する電子が陽子などの荷電粒子によって偏向されると、エネルギー放出が起こる場合がある。電子の減速により制動放射(ブレムスシュトラールング)が放出される[106]

光子(光)と孤立電子(自由電子)の非弾性衝突をコンプトン散乱という。この衝突により、粒子間で運動量とエネルギーが移動し、コンプトンシフトと呼ばれる量だけ光子の波長を変化させる[注釈 7]。この波長シフトの最大値は h/mec であり、コンプトン波長と呼ばれている[107]。電子の場合、その値は2.43×10−12 mである[72]。光の波長が長い場合(たと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る。光と自由電子の間のこのような相互作用は、トムソン散乱または線形トムソン散乱と呼ばれる[108]

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与えられる。この値は、1コンプトン波長分の分離における引力(または斥力)の静電エネルギーと、電荷の静止エネルギーの2つのエネルギーの比として表される無次元量である。その値は α ≈ 7.297353×10−3 で与えられ、1/137にほぼ等しい[72]

電子と陽電子が衝突すると互いに消滅英語版し、2個あるいはそれ以上のガンマ線光子を発生させる。電子と陽電子の運動量が無視できるほど小さい場合は、消滅によって合計1.022 MeVの2-3個のガンマ線光子を生成する代わりに、ポジトロニウム原子を形成する場合がある[109][110]。一方、高エネルギー光子は、対生成と呼ばれる過程を経て電子と陽電子に変換されるが、ただし原子核のような荷電粒子が近くに存在する場合に限られる[111][112]

電弱相互作用の理論では、電子の波動関数の左巻き成分は、電子ニュートリノ弱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、電子ニュートリノは電子のようにふるまうことを意味する。この二重項のいずれかのメンバーは、Wボソン(W)を放出または吸収することによって荷電カレント相互作用英語版を受け、もう一方のメンバーに変換される。Wボソンも電荷を持ち、変換中の正味の変化を打ち消すので、この反応中の電荷は保存される。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、Z0
 
交換を介して中性カレント相互作用を受けることがあり、これがニュートリノ–電子弾性散乱英語版の原因となる[113]

原子と分子

A table of five rows and five columns, with each cell portraying a color-coded probability density
最初のいくつかの水素原子軌道の確率密度を断面で見る。束縛電子のエネルギー準位により、電子が占める軌道が決定され、図の色は所与の位置でその電子が見つかる確率を反映する。

電子は吸引性のクーロン力によって原子核に束縛される。原子核に束縛された1つまたは複数の電子からなる系を原子と呼ぶ。電子の数が原子核の電荷と異なる場合、その原子はイオンと呼ばれる。束縛電子の波動的な挙動は、原子軌道と呼ばれる関数によって記述される。それぞれの軌道は、エネルギー、角運動量、角運動量射影など固有の量子数の集合を持ち、原子核の周りにはこれらの軌道の離散集合のみが存在する。パウリの排他原理によると、各軌道は最大2個の電子によって占有され、それらのスピン量子数英語版は異なっていなければならない。

電子は、ポテンシャル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[114]: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[115]。電子が原子から脱出するためには、その電子のエネルギーを原子との結合エネルギーよりも高くしなければならない。たとえば、これは光電効果で起こり、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[114]:127–132

電子の軌道角運動量は量子化英語版されている。電子は帯電しているため、角運動量に比例した軌道磁気モーメントを生じる。原子の正味の磁気モーメントは、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に比べて無視できる。同じ軌道を占める電子(いわゆる電子対)の磁気モーメントは打ち消し合う[116]

原子間の化学結合は、量子力学の法則で説明される電磁相互作用の結果として起こる[117]。最も強い結合は、原子間の電子の共有または移動英語版によって生じ、分子の形成を可能にする[12]。分子内では、電子はそれぞれの原子核の影響を受けて移動し、孤立した原子で原子軌道を占めることができるのと同様に、分子軌道を占有する[118]。これらの分子構造における根底要因は、電子対の存在である。電子対は、互いに逆方法のスピンを持つ電子であり、(原子と同様に)パウリ排他原理に反することなく、同じ分子軌道を占めることができる。分子軌道が異なれば、電子密度の空間分布も異なる。たとえば、結合対(原子を実際に結合させる対)では、電子は原子核間の比較的小さな体積に存在する確率が高い。対照的に非結合対では、電子は原子核の周囲に大きな体積で分布している[119]

導電率

Four bolts of lightning strike the ground
放電は主に電子の流れで形成され[120]、放電に必要な電位は摩擦帯電効果によって発生することができる[121][122]

もしある物体の電子数が、原子核の正電荷と釣り合うために必要な電子数よりも多いか少ない場合、その物体は正味の電荷を持っている。もし電子が過剰な場合、その物体は負に帯電しているという。一方、電子数が原子核の陽子数より少ない場合、その物体は正に帯電しているという。電子数と陽子数が等しい場合、それらの電荷は互いに打ち消し合い、その物体は電気的に中性であるという。巨視的な物体は、摩擦帯電効果により、摩擦によって電荷を発生することがある[123]

真空中を移動する独立した電子は自由電子と呼ばれる。金属中の電子もまた、自由であるかのようにふるまう。実際には、金属やその他の固体内で一般に電子と呼ばれている粒子は準電子、つまり真の電子と同じ電荷、スピン、磁気モーメントを持つが、質量が異なる可能性がある[124]。真空中でも金属中でも、自由電子が移動すると、電流と呼ばれる電荷の正味の流れが生じ、磁場が発生する。反対に、磁場の変化によって電流が発生することがある。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る[125]

各物質は、ある温度において電位が印加されたときの電流値を決定する電気伝導率 (en:英語版という特性を持つ。良導体の例としては銅や金などの金属があげられ、ガラスやテフロンは不良導体である。誘電体物質の場合、電子はそれぞれの原子に束縛されたままであり、その物質は絶縁体としてふるまう。ほとんどの半導体は、導電性と絶縁性の両極端の中間に位置する可変レベルの導電性を持っている[126]。一方、金属は、部分的に充填された電子バンドを含む電子バンド構造を持っている。このようなバンドが存在することで、金属中の電子は自由電子、あるいは非局在電子であるかのようにふるまうことができる。これらの電子は特定の原子と結びついていないので、電場が印加される、自由電子と同じように物質中を気体(フェルミ気体という[127])のように自由に移動することができる。

電子と原子の衝突のため、導体中の電子のドリフト速度英語版はおよそ秒速数ミリメートルである。しかし、物質内のある点における電流の変化がその物質内の他の部分で電流の変化を引き起こす速度、すなわち伝搬速度英語版は通常、光速の約75%に達する[128]。その理由は、電気信号が波として伝播し、その速度は物質の誘電率に依存することによる[129]

金属は比較的優れた熱伝導体であるが、その主な理由は、非局在化した電子が原子間で熱エネルギーを自由に伝達できることにある。ただし、電気伝導率とは異なり、金属の熱伝導率は温度にほとんど依存しない。このことは、熱伝導率と電気伝導率の比が温度に比例するというウィーデマン・フランツの法則によって数学的に表される[127]。金属格子の熱的乱れによって物質の電気抵抗率が増加し、電流の温度依存性が生じる[130]

物質は、臨界温度と呼ばれる温度以下に冷却されると、超伝導という過程で、電流に対する抵抗性をすべて失う相転移を起こすことがある。BCS理論では、クーパー対と呼ばれる電子対の運動が、フォノンと呼ばれる格子振動を介して近くの物質と結合し、それによって通常は電気抵抗を生じる原子との衝突が回避される[131]。クーパー対の半径はおよそ100 nmなので、互いに重なり合うことができる[132]。しかしながら、高温超伝導(参考: 非従来型超電導体英語版)がどのような仕組みで起こるのかは、依然として不明である。

導電性固体内の電子は、それ自体が準粒子であり、絶対零度に近い温度で密に閉じ込められると、あたかもスピノン英語版オービトン英語版ホロン英語版という3つの準粒子に分裂したかのようにふるまう[133][134]。スピノンはスピンと磁気モーメントを、オービトンは軌道上の位置を、ホロンは電荷をそれぞれ担う。

運動とエネルギー

アインシュタイン特殊相対性理論によると、電子の速度が光の速さに近づくにつれて、観測者から見た電子の相対論的質量英語版は増加し、それによって観測者の座標系内から電子を加速することは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、相対論的な電子、つまり c に近い速度で移動する電子が、局所的な光速が c より大幅に小さい水のような誘電体媒質に注入されると、電子は媒体中を一時的に光よりも速く移動する。その電子が媒質と相互作用すると、チェレンコフ放射と呼ばれる微弱な光を発生させる[135]

The plot starts at zero and curves sharply upward toward the right
速度の関数としてのローレンツ係数。値1から始まり、vc に近づくにつれて無限大になる。

特殊相対性理論の効果は、ローレンツ因子として知られる量に基づいており、 と定義され、ここに v は粒子の速度である。速度 v で移動する電子の運動エネルギー Ke

と表され、ここに me は電子の質量である。たとえば、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[136]。電子は波としてふるまうので、ある速度では特徴的なド・ブロイ波長を持つ。これは λe = h/p で与えられ、hプランク定数p は運動量である[52]。前述の 51 GeVの電子の場合、その波長は約2.4×10−17 mで、原子核の大きさよりもはるかに小さな構造を探索するのに十分に小さい[137]

形成

A photon approaches the nucleus from the left, with the resulting electron and positron moving off to the right
光子が原子核に接近することによって起こる電子と陽電子の対生成の模式図。稲妻の記号は仮想光子の交換を表し、それにより電気力が作用する。粒子間の角度は非常に小さい[138]

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ある[139]。ビッグバンの最初の1ミリ秒では、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ていた。これらの光子は、互いに反応して電子と陽電子の対を形成するのに十分なエネルギーを持っていた。同様に、陽電子-電子対は互いに対消滅し、高エネルギー光子を放出した。

γ + γe+
 
+ e
 

宇宙の進化のこの段階において、電子、陽電子、光子の間の均衡が保たれていた。しかし、15秒が経過すると、宇宙の温度は電子-陽電子対生成が起こりうる閾値を下回った。生き残った電子-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た[140]

理由は不明であるが、この消滅の過程で粒子が反粒子よりも過剰になった。そのため、10億個の電子-陽電子対に対して約1個の電子が生き残った。この過剰はバリオン非対称性英語版として知られる状態で、反陽子に対する陽子の過剰と一致した結果、宇宙の正味の電荷はゼロとなった[141][142]。生き残った陽子と中性子は、元素合成という過程で互いに反応し始め、水素とヘリウムの同位体、そして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[143]。残された中性子は半減期が約1,000秒の負のベータ崩壊を起こし、

np + e
 
+ ν 
e

という過程で陽子と電子を放出した。

その後、約30万-40万年の間、過剰な電子は原子核と結合するにはエネルギーが高すぎるままであった[144]。中性原子(陽子と同数の電子が結合した原子)が形成され、膨張する宇宙が放射線を透過するようになった「再結合」と呼ばれる期間が続いた[145]

ビッグバンからおよそ100万年後、第一世代の恒星が形成され始めた[145]。恒星内では、恒星内元素合成によって原子核の核融合から陽電子が作り出される。これらの反物質粒子は直ちに電子とともに対消滅し、ガンマ線を放出する。正味の結果は、電子数の着実な減少と、それに対応した中性子数の増加である。しかし、恒星の進化の過程で、放射性同位元素が合成されることがある。選択された同位体は、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する[146]。一例として、コバルト6060Co)同位体があり、崩壊してニッケル6060Ni)を生成する[147]

A branching tree representing the particle production
地球大気に衝突した高エネルギー宇宙線によって生成した広域空気シャワー

約20太陽質量を超える恒星は、寿命が尽きると重力崩壊を起こしてブラックホールを形成することがある[148]古典物理学によれば、このような巨大な恒星体は、たとえ電磁放射線でさえもシュワルツシルト半径を超えて何も逃れられないほど強い引力を及ぼす。しかし、量子力学的効果により、この距離での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、これらの恒星の残骸事象の地平線で生成されると考えられている。

事象の地平面近傍で一対の仮想粒子(電子と陽電子など)が作られるとき、無作為で空間的な位置関係によって、それらの一つが外へ放射される可能性がある。このプロセスは量子トンネルと呼ばれる。ブラックホールの重力ポテンシャルは、この仮想粒子を現実の粒子に変換するエネルギーを供給し、宇宙空間に放射することを可能とする[149]。その代わりに、対のもう片方には負のエネルギーが与えられ、その結果、ブラックホールから質量エネルギーが正味で失われる。ホーキング放射の強度は質量が小さくなるにつれて増加し、最終的にはブラックホールが蒸発し、ついには爆発する[150]

宇宙線は、高エネルギーで宇宙空間を移動する粒子である。3.0×1020 eVもの高いエネルギー事象が記録されている[151]。これらの粒子が地球の大気中で核子と衝突すると、パイ中間子を含む粒子のシャワーが発生する[152]。地球の表面から観測される宇宙放射線の半分以上はミュー粒子である。ミュー粒子は、パイ中間子の崩壊によって高層大気で生成されるレプトンである。

π
 
μ
 
+ ν 
μ

同様に、ミュー粒子は崩壊して電子または陽電子を形成することがある[153]

μ
 
e
 
+ ν 
e
+ ν 
μ

観測

A swirling green glow in the night sky above snow-covered ground
オーロラは主に、大気中に放出された高エネルギー電子によって起こる[154]

電子の遠隔観測をするためには、その放射エネルギーを検出する必要がある。たとえば、恒星コロナ英語版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(電子密度の同期変動によって引き起こされる波)を起こす場合があり、このとき生成するエネルギー放射は電波望遠鏡で検出できる[155]

光子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とき、特徴的な周波数の光子の吸収または放出を伴う。たとえば、原子に広域スペクトルを持つ光源を照射すると伝搬光のスペクトル中に明瞭な暗線が現れるが、その位置は原子の電子によって吸収される周波数に対応する。各々の元素または分子は、水素のスペクトル系列の例のように、特徴的なスペクトル線の集合を示す。これらが検出されれば、その強さと幅を分光学的に測定することで、物質の組成と物理的性質を決定することができる[156][157]

実験室の条件下では、エネルギー、スピン、電荷などの特定の特性を測定できる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る[158]パウル・トラップペニング・トラップ英語版が開発されて、荷電粒子を小さな領域内に長時間閉じ込めることが可能になった。これにより、粒子特性の精密な測定が可能になる。たとえば、ある実験では、ペニング・トラップを使用して1個の電子を10ヶ月間捕捉し続けた[159]。電子の磁気モーメントは11桁の精度で測定されており、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[160]

2008年2月、スウェーデンのルンド大学のチームが、電子のエネルギー分布の最初のビデオ画像を撮影した。科学者たちは、アト秒パルスと呼ばれる極めて短い閃光を使用し、電子の運動を初めて観測した[161][162]。(参考: アト秒物理学英語版

固体物質中の電子の分布は、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る。この技術は、光電効果を利用して周期構造の数学的表現である逆格子空間にある電子の分布を測定し、元の構造を推測するものである。ARPESを使用して、物質内の電子の方向、速度、散乱を決定することができる[163]

プラズマの応用

粒子線

A violet beam from above produces a blue glow about a Space shuttle model
NASA風洞実験では、スペースシャトルの模型に電子線を照射し、大気圏再突入時の電離気体の影響を模擬実験している[164]

電子線溶接に使われる[165]。この手法は、0.1–1.3 mmの狭い焦点径で最大107 W·cm−2のエネルギー密度を可能にし、溶加材英語版を通常必要としない。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に真空中で行わなければならないが、他の溶接方法が適さないとされる導電性物質の接合にも使用できる[166][167]

電子線リソグラフィ(EBL)は、半導体をマイクロメートル未満の分解能でエッチングする方法である[168]。この技術の制限として、高コスト、低速、真空中で電子線の操作を必要とすること、固体中で電子線が散乱しやすいことなどがあげられる。最後の問題のために分解能は約10 nmに制限される。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る[169]

電子線加工英語版は、物質の物理的物性を変化させたり、医療製品や食品を滅菌するために使用される[170]。電子線は、集中的な照射で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させる。たとえば、集中的な電子線照射は、粘度を何桁も低下させ、活性化エネルギーを段階的に低下させる[171]

線形粒子加速器英語版は、放射線療法で表在性腫瘍を治療するための電子線を発生させる。電子線治療英語版によって基底細胞癌などの皮膚病変を治療できる理由は、電子線が吸収される前に限られた深さまでしか透過しないためである(通常、エネルギー範囲が5–20 MeVの電子線で5 cmまで)。電子線は、X線が照射された部位の治療を補完するために使われる[172][173]

粒子加速器は、電場を使用して電子とその反粒子を高エネルギーまで加速する。これらの粒子は磁場を通過する際に放射光を放出する。この放射光強度のスピン依存性が電子線を偏極させる(ソコロフ-テルノフ効果英語版[注釈 8]として知られる)。偏極電子線はさまざまな実験に役立っている。放射光シンクロトロン放射)はまた、粒子の運動量の広がりを抑えるために電子線を冷却英語版することもできる。電子線や陽電子線は、粒子が必要なエネルギーまで加速されると衝突する。粒子検出器は、素粒子物理学の研究でエネルギー放出を観測する機器である[174]

イメージング

低速電子線回折法(LEED)は、平行化英語版した電子線を結晶性物質に照射し、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ある。必要な電子エネルギーは通常20-200 eVの範囲である[175]反射高速電子線回折法(RHEED)は、さまざまな低角度で発射された電子線の反射を利用して、結晶性物質の表面の特性を調べる手法である。ビームエネルギーは通常8-20 keVで、入射角は1–4°である[176][177]

電子顕微鏡は、集束した電子線を試料に照射する。一部の電子線は、試料と相互作用するとき、進行方向、角度、相対的な位相、エネルギーなどの特性を変化させる。顕微鏡技師は、このような電子線の変化を記録して、物質の原子レベルに解像された画像を生成することができる[178]。従来の光学顕微鏡の回折限界分解能は、青色光の場合で約200 nmであった[179]。それに比較して、電子顕微鏡は電子のド・ブロイ波長の制限を受ける。たとえば、10万ボルトの電位で加速された電子の場合、その波長は0.0037 nmに相当する[180]透過型電子収差補正顕微鏡英語版は、0.05 nm以下の分解能があり、個々の原子を分解するには十分なほどである[181]。この能力により、電子顕微鏡は高分解能イメージングにおいて有用な実験機器となっている。しかし、電子顕微鏡は維持費もかかる高価な装置である。

電子顕微鏡には、主に透過型走査型の2種類がある。透過型電子顕微鏡は、プロジェクタのように機能し、電子線が試料の薄片を通過し、レンズによって写真フイルム電荷結合素子の上に投影される。走査型電子顕微鏡では、テレビジョンと同様に精密に収束された電子線で試料を走査して画像を生成する。倍率はどちらも100倍-100万倍以上の範囲にわたる。走査型トンネル顕微鏡はこれらとは異なり、鋭利な金属探針から試料への電子の量子トンネルを利用し、試料表面の原子レベルで解像された画像を生成することができる[182][183][184]

その他の用途

自由電子レーザー(FEL)では、磁場が交互に配置された双極子磁石英語版の配列を挟む一対のアンジュレータ英語版に、相対論的電子線英語版を通過させる。電子は放射光を放出し、その放射光は同じ電子とコヒーレントに相互作用して、共振周波数英語版の放射場を強く増幅する。FELは、マイクロ波から軟X線までの幅広い周波数にわたって、コヒーレントな高輝度電磁放射を放出することができる。これらの装置は、製造、通信、軟部組織手術などの医療用途で使用されている[185]

陰極線管は、実験器具、コンピューターモニターテレビジョン受像機の表示装置として広く使用されていて、電子が重要な役割を担っている[186]光電子増倍管では、光電陰極英語版に当たった光子が電子の雪崩を引き起こし、検出可能な電流パルスを生成する[187]真空管は電子の流れを利用して電気信号を操作するもので、エレクトロニクス技術の発展において重要な役割を果たした。しかし、その大部分は、トランジスタなどの固体素子英語版に取って代わられた[188]

関連項目

注記

  1. ^ 陽電子は「反電子」と呼ばれることもある。
  2. ^ 分数版の分母は10進数値の逆数 (相対標準不確かさ2.9×10−11を伴う) である。
  3. ^ 古い情報源においては、質量対電荷比という現代の慣例ではなく、電荷対質量を記載している。
  4. ^ ボーア磁子:
  5. ^ 古典的な電子の半径は次のように導出される。電子の電荷が球体全体に一様に広がっていると仮定する。球体の一部分は他の部分と反発するので、球体には静電ポテンシャルエネルギーが含まれる。このエネルギーは、特殊相対性理論 (E = mc2) で定義される電子の静止エネルギーに等しいと仮定する。
    静電気理論から、半径 r と電荷 e を持つ球の位置エネルギーは次式で与えられる:
    ここで ε0真空の誘電率である。静止質量 m0 の電子の場合、静止エネルギーは次式に等しい:
    ここで c は真空中の光速である。これらを等しく設定し、r について解くと、古典的な電子半径が得られる。
    参照: Haken, Wolf, & Brewer (2005).
  6. ^ 非相対論的電子からの放射線はサイクロトロン放射と呼ばれることもある。
  7. ^ 波長の変化 Δλ は、衝突の角度 θ に依存し、次式のようになる。
    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[73](p393, 396)
  8. ^ 電子線の偏極とは、すべての電子のスピンが一方向を向くことを意味する。言い換えれば、すべての電子のスピンの運動量ベクトルへの投影は同じ符号を持つ。

脚注

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推薦文献

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