電子

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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 年[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
標準模型の素粒子

電子（でんし、英: electron、e−
  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]。電子の質量は陽子のおよそ1/1836（英語版）である[10]。電子の量子力学的な性質には、半整数の固有角運動量（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[編集]

「電磁気学の歴史（英語版）」も参照

電気力の効果の発見[編集]

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、雷と並んで、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 electric や electricity 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 ἤλεκτρον （ēlektron）に由来する。

2種類の電荷の発見[編集]

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[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[編集]

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）の電気伝導率（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]:393。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[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[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・タウンゼントやハロルド・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・ヴィーヘルトとウォルター・カウフマン（英語版）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~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・ミリカンとハーヴェイ・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[編集]

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[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[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[編集]

「量子力学の歴史」も参照
詳細は「§ 量子的性質」を参照

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[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[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・クッシュとヘンリー・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[編集]

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の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[編集]

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 nm）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[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[編集]

分類[編集]

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[編集]

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) 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[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 クーロンの電荷を持ち[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[編集]

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 r1 と r2 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[編集]

詳細は「仮想粒子」を参照

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 ħ ≈ 6.6×10−16 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[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[編集]

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[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（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[編集]

詳細は「原子」を参照
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[編集]

Four bolts of lightning strike the ground
雷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[編集]

アインシュタインの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、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、 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 は

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 はプランク定数、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[編集]

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 + γ ↔ e+
  + 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、

n → p + 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60（60Co）同位体があり、崩壊してニッケル60（60Ni）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の事象の地平線で生成されると考えられている。

事象の地平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[編集]

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・トラップとペニング・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[編集]

粒子線[編集]

A violet beam from above produces a blue glow about a Space shuttle model
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[164]。

電子線は溶接に使われる[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[編集]

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、主に透過型と走査型の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[編集]

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]。

脚注[編集]

[脚注の使い方]

注釈[編集]

  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 は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。

出典[編集]

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推薦文献[編集]

関連項目[編集]

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