電子

電子

異なるエネルギー レベルの水素原子軌道。不透明な領域ほど、特定の時点で電子が存在する可能性が最も高くなります。
構成	素粒子[1]
統計	フェルミオン
家族	レプトン
世代	初め
インタラクション	弱い、電磁気、重力
シンボル	e− 、 β−
反粒子	陽電子[a]
理論化された	リチャード・ラミング（1838–1851）[2] 、 G・ジョンストン・ストーニー（1874）他[3] [4]
発見した	JJトムソン（1897）[5]
質量	9.109 383 7139 (28) × 10 −31  kg ‍ [ 6] 5.485 799 090 441 (97) × 10 −4  Da ‍ [ 7] [1 822 .888 486 209 (53) ] −1  Da [b] 0.510 998 950 69 (16)  MeV/ c 2 [8]
平均寿命	>6.6 × 10 28 年[9]（安定）
電荷	−1 電子 −1.602 176 634 × 10 −19  C ‍ [ 10]
磁気モーメント	−9.284 764 6917 (29) × 10 −24  J⋅T −1 ‍ [ 11] −1.001 159 652 181 28 (18)  μ B [12]
スピン	⁠ 1 /2⁠  ħ
弱いアイソスピン	左: − ⁠ 1 /2⁠、RH :0
弱い超電荷	左: −1、右: −2

電子（​
e⁻
、 または
β⁻
電子は、原子核反応において負の電荷1を持つ亜原子粒子である。^{[13]電子は}レプトン粒子ファミリーの第一世代に属し、^[14]既知の成分や下部構造を持たないため、一般的には素粒子であると考えられている。 ^[1]電子の質量は陽子の約1/1836である。^[15]電子の量子力学的特性には、半整数値の固有角運動量（スピン）が含まれ、換算プランク定数ħの単位で表されます。フェルミオンであるため、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ません。^[14]すべての素粒子と同様に、電子は粒子と波の両方の特性を示します。他の粒子と衝突することがあり、光のように回折することができます。電子の波動特性は、中性子や陽子などの他の粒子に比べて実験で観察しやすい。これは、電子の質量が小さく、したがって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果たしている。また、重力、電磁気、弱い相互作用にも関与している。^[16]電子は電荷を持っているため、周囲に電場がある。電子が観測者に対して動いている場合、観測者はそれを観測して磁場を生成する。他の発生源から発生する電磁場は、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。電子は加速されると、 光子の形でエネルギーを放射または吸収する。

実験装置は、電磁場を利用して個々の電子だけでなく電子プラズマも捕捉することができます。特殊な望遠鏡は宇宙空間の電子プラズマを検出することができます。電子は、トライボロジーまたは摩擦充電、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、ブラウン管、光電気、太陽光発電パネル、電子顕微鏡、放射線療法、レーザー、気体イオン化検出器、粒子加速器など、多くの用途に関係しています。

電子と他の素粒子との相互作用は、化学や原子物理学などの分野で興味深いものです。原子核内の正の陽子と原子核外の負の電子との間のクーロン力相互作用により、原子と呼ばれる2つの粒子が合成されます。イオン化、つまり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わります。2つ以上の原子間での電子の交換または共有が化学結合の主な原因です。^[17]

1838年、イギリスの自然哲学者リチャード・レーミングは、原子の化学的性質を説明するために、分割できない電荷量の概念を初めて仮説しました。 ^[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「電子」と名付け、JJトムソンと彼のイギリスの物理学者チームは、1897年にブラウン管の実験中にこれを粒子として特定しました。^[5]

電子は、恒星における元素合成などの核反応に関与しており、ベータ粒子として知られています。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するときなどの高エネルギー衝突によって生成されます。電子の反粒子は陽電子と呼ばれ、反対の符号の電荷を持っていることを除いて電子と同一です。電子が陽電子と衝突すると、両方の粒子が消滅し、ガンマ線光子が生成されます。

古代ギリシャ人は、琥珀を毛皮でこすると小さな物体を引き寄せることに気づいていた。この現象は、雷とともに、人類が記録に残した電気に関する最古の経験の一つである。^[18] 1600年に発表した論文「磁石について」の中で、イギリスの科学者ウィリアム・ギルバートは、こすると小さな物体を引き寄せる、琥珀に似た性質を持つ物質を指すために、新ラテン語の「 electrica」という造語を生み出した。 ^[19] electricとelectricityはどちらもラテン語のēlectrum （同名の合金の語源でもある）に由来し、これはギリシャ語で琥珀を意味するἤλεκτρον（ēlektron）に由来している。

1700 年代初頭、フランスの化学者シャルル・フランソワ・デュ・フェイは、帯電した金箔が絹でこすったガラスによって反発されるなら、同じ帯電した金箔が羊毛でこすった琥珀によって引き付けられることを発見しました。このことと類似の実験の他の結果から、デュ・フェイは、電気は 2 種類の電気流体、絹でこすったガラス質の流体と羊毛でこすった琥珀質の流体で構成されていると結論付けました。これら 2 つの流体は混合すると互いに中和することができます。^{[19] [20]}アメリカの科学者エベネザー・キナーズリーも後に独立して同じ結論に達しました。^{[21] : 118} 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からではなく、過剰 (+) または不足 (-) を示す単一の電気流体から発生すると提案しました。彼は、それぞれ正と負という現代の電荷命名法を与えました。^[22]フランクリンは電荷キャリアが正であると考えていたが、どの状況が電荷キャリアの過剰であり、どの状況が不足であるかを正しく識別していなかった。^[23]

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・ラミングは、原子は単位電荷を持つ亜原子粒子に囲まれた物質の中心核で構成され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・ウェーバーは、電気は正と負に帯電した流体で構成されており、それらの相互作用は逆二乗の法則に支配されているという理論を立てた。 1874年に電気分解の現象を研究した後、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 イオンの電荷である「単一の一定量の電気」が存在すると提唱した。彼は、ファラデーの電気分解の法則によってこの基本電荷eの値を推定することができた。^[24]しかし、ストーニーはこれらの電荷は原子に永久に付着しており、取り除くことはできないと考えていた。 1881年、ドイツの物理学者ヘルマン・フォン・ヘルムホルツは、正電荷と負電荷の両方が基本部分に分割され、それぞれが「電気の原子のように振る舞う」と主張した。^[3]

ストーニーは1881年にエレクトロンという用語を最初に作った。10年後、彼はこれらの基本電荷を説明するためにエレクトロンという用語を使い始め、1894年に次のように書いている。「...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、それ以来私はエレクトロンという名前を提案しようとしてきた。」1906年にエレクトロンに変更する提案があったが、ヘンドリック・ローレンツがエレクトロンをそのままにすることを好んだため、失敗に終わった。[ 25 ] [ 26 ]エレクトロンという^言葉はエレクトリクとイオンを組み合わせたものである。^[27]現在、陽子や中性子などの他の亜原子粒子を表すのに使用されている接尾辞-onも、エレクトロンに由来している。^{[28] [29]}

1859年に希薄気体の電気伝導性を研究していたドイツの物理学者ユリウス・プリュッカーは、陰極から放射された放射線が陰極近くの管壁に燐光を生じさせること、そして燐光の領域が磁場を加えることで移動できることを観察した。^[31] 1869年、プリュッカーの弟子ヨハン・ヴィルヘルム・ヒットルフは、陰極と燐光の間に固体を置くと、管の燐光領域に影が落ちることを発見した。ヒットルフは、陰極から直線状の光線が放射され、その光線が管壁に当たることで燐光が生じると推測した。さらに、彼はこれらの光線が電流線と同じように磁石によって偏向されることも発見した。^[32]

1876年、ドイツの物理学者オイゲン・ゴールドシュタインは、陰極表面に対して垂直に放射線が放射されることを示し、陰極から放射される放射線と白熱灯から放射される放射線を区別した。ゴールドシュタインはこの放射線を陰極線と名付けた。^{[33] [34] : 393}数十年にわたる陰極線に関する実験的および理論的研究は、JJトムソンによる電子の発見に重要な役割を果たした。^[3]ゴールドシュタインは二重陰極の実験も行い、1つの放射線が別の放射線を反発する可能性があるという仮説を立てたが、粒子が関与しているとは考えていなかった。^[35]

1870年代、イギリスの化学者で物理学者のウィリアム・クルックス卿は、内部に高真空を持つ最初の陰極線管を開発した。 ^[36]彼は1874年に、陰極線をその進路に置くと小さな羽根車を回すことができることを実証した。したがって、彼は陰極線が運動量を持っていると結論付けた。さらに、磁場をかけることで陰極線を偏向させることができ、ビームが負に帯電しているかのように振舞うことを実証した。^{[33]彼は1879年に、これらの特性は陰極線が負に帯電した気体}分子で構成されていると見なすことで説明できると提案した。この第4の物質状態では、粒子の平均自由行程が非常に長いため衝突は無視できる。^{[34] : 394–395}

1883年、当時まだあまり知られていなかったドイツの物理学者ハインリッヒ・ヘルツは、陰極線が電気的に中性であることを証明しようとし、磁場ではなく静電界では偏向がないと確信できる結果を得た。しかし、JJトムソンが1897年に説明したように、ヘルツは偏向電極を管の導電性の高い領域に配置したため、表面近くで強い遮蔽効果が発生した。^[35]

ドイツ生まれのイギリス人物理学者アーサー・シュスターは、クルックスの実験を拡張し、金属板を陰極線と平行に配置し、板の間に電位をかけた。 ^{[37]この電界は陰極線を正に帯電した板の方向に偏向させ、陰極線が負の電荷を帯びていることのさらなる証拠となった。与えられた}電界と磁界に対する偏向量を測定することにより、1890年にシュスターは陰極線成分の電荷質量比^[c]を推定することができた。しかし、この値は予想の1000倍以上も大きなものとなり、当時は彼の計算にはほとんど信憑性がなかった。^{[33]これは、電荷キャリアがはるかに重い}水素原子や窒素原子であると想定されていたためである。 ^[37]シュスターの推定はその後、ほぼ正しいことが判明した。

1892年にヘンドリック・ローレンツは、これらの粒子（電子）の質量は電荷の結果である可能性があると示唆した。^[38]

1896年、フランスの物理学者アンリ・ベクレルは、自然に蛍光を発する鉱物を研究していたとき、外部のエネルギー源にさらされなくても放射線を放出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たちの大きな関心の対象となった。彼は、物質を透過する能力に基づいて、これらの粒子をアルファとベータと名付けた。 ^[39] 1900年、ベクレルは、ラジウムから放出されるベータ線が電場によって偏向できること、およびそれらの質量電荷比が陰極線と同じであることを示した。^[40]この証拠は、電子が原子の構成要素として存在するという見解を強固なものにした。^{[41] [42]}

1897年、イギリスの物理学者JJトムソンは、同僚のジョン・S・タウンゼント、HAウィルソンとともに、陰極線が、それまで信じられていた波、原子、分子ではなく、本当にユニークな粒子であることを示す実験を行った。^[5] 1899年までに、彼は陰極線の電荷対質量比e / mが陰極材料に依存しないことを示した。彼はさらに、放射性物質、加熱された物質、および照射された物質によって生成される負に帯電した粒子は普遍的であることを示した。^{[5] [43]}トムソンは陰極線「粒子」のm / eを測定し、電荷eを適切に推定して質量mの値を導き、既知の最も質量の小さいイオンである水素の1400倍の質量の小さい値を発見した。^{[34] : 364  [5]}同年、エミール・ヴィーヒャートとウォルター・カウフマンもe / m比を計算したが、その結果を新しい粒子として解釈することはしなかった。一方、JJトムソンは1899年に電子の電荷と質量についても推定値を与えた。e  ~ 6.8 × 10 ⁻¹⁰  esuおよびm  ~ 3 × 10 ⁻²⁶ グラム^{[44] [45]}

「電子」という名前は、主にGFフィッツジェラルド、J.ラーモア、HAローレンツの提唱により、科学界でこれらの粒子に採用されました。^{[46] : 273}この用語は、1891年にジョージ・ジョンストン・ストーニーによって、当時まだ発見されていなかった電荷の基本単位の仮称として最初に造られました。^{[47] [26]}

電子の電荷は、1909年のアメリカの物理学者ロバート・ミリカンとハーヴェイ・フレッチャーによる油滴実験でより注意深く測定され、その結果は1911年に発表された。この実験では、荷電した油滴が重力で落下するのを防ぐために電場が使用された。この装置は、わずか1～150個のイオンの電荷を0.3%未満の誤差で測定できた。同様の実験は、トムソンのチーム^[5]によって電気分解で生成された荷電した水滴の雲を使用して以前に行われており、1911年にはエイブラム・ヨッフェによっても行われていた。ヨッフェは、ミリカンと同じ結果を独立して金属の荷電微粒子を使用して得て、1913年にその結果を発表した。^[48]しかし、油滴は蒸発速度が遅いため水滴よりも安定しており、そのためより長い期間にわたる精密な実験に適していた。^[49]

20世紀初頭、特定の条件下では高速で移動する荷電粒子がその経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ました。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の荷電粒子の軌跡を撮影できるようにしました。^[50]

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、ジェームズ・フランク、グスタフ・ヘルツによる実験により、原子の構造は正電荷の高密度核とその周囲を低質量電子が取り囲む構造であることがほぼ確立された。^[51] 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にあり、そのエネルギーは原子核の周りの電子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で、これらの状態または軌道間を移動できる。これらの量子化された軌道によって、彼は水素原子のスペクトル線を正確に説明した。 ^[52]しかし、ボーアのモデルはスペクトル線の相対的な強度を説明できず、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。^[51]

原子間の化学結合は、 1916年に2つの原子間の共有結合はそれらの間で共有される電子対によって維持されると提唱したギルバート・ニュートン・ルイスによって説明された。 ^[53]その後、1927年にウォルター・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形成と化学結合の完全な説明を行った。^[54] 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説明し、すべての電子が連続した「すべて同じ厚さの同心（ほぼ）球形の殻」に分布していると示唆した。^[55]次に、彼は殻をいくつかのセルに分割し、各セルに1対の電子が含まれていた。このモデルにより、ラングミュアは周期表のすべての元素の化学的性質を定性的に説明することができた。 ^{[54]これらの元素は、}周期律に従って大部分が繰り返されることが知られていた。^[56]

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、各状態が1個以下の電子によって占有されている限り、あらゆる量子エネルギー状態を定義する4つのパラメータのセットによって説明できることを観察しました。複数の電子が同じ量子エネルギー状態を占有することを禁止するこの原理は、パウリの排他原理として知られるようになりました。^[57] 2つの異なる値の可能性がある4番目のパラメータ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・グードシュミットとジョージ・ウーレンベックによって提供されました。 1925年、彼らは、電子は、その軌道の角運動量に加えて、固有の角運動量と磁気双極子モーメントを持っていると示唆しました。^{[51] [58]}これは、地球が太陽の周りを公転するときに自転することに類似しています。固有の角運動量はスピンとして知られるようになり、高解像度の分光器で観測されたスペクトル線のそれまで謎だった分裂を説明しました。この現象は微細構造分裂として知られている。^[59]

フランスの物理学者ルイ・ド・ブロイは、 1924年の学位論文「量子論の研究」で、すべての物質は光と同じようにド・ブロイ波として表せるという仮説を立てた。^[60]つまり、適切な条件下では、電子やその他の物質は粒子または波動のいずれかの特性を示すことになる。粒子の粒子特性は、任意の瞬間におけるその軌道に沿った空間内の局所的な位置を示すことで示される。^[61]光の波動性は、例えば、光線が平行スリットを通過して干渉縞を作るときに示される。1927年、ジョージ・パジェット・トムソンとアレクサンダー・リードは、電子ビームが薄いセルロイド箔、後に金属フィルムを通過したときに干渉効果が生じることを発見した。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・ジャーマーは、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。^[62]トムソンの大学院生だったアレクサンダー・リードが最初の実験を行ったが、彼はその後すぐにオートバイ事故で亡くなり^[63]、ほとんど言及されていない。

ド・ブロイによる電子の波動性に関する予言を受けて、エルヴィン・シュレーディンガーは原子核の影響下における電子の波動方程式を仮定した。1926年、この方程式、シュレーディンガー方程式は電子波の伝播の仕方をうまく説明した。^[64]この波動方程式は、時間経過に伴う電子の位置を決定する解を与えるだけでなく、ある位置、特に電子が空間内で束縛されている位置の近くに電子が存在する確率を予測するためにも使用でき、その場合の電子波動方程式は時間経過とともに変化しなかった。このアプローチは量子力学の2番目の定式化（最初のものは1925年のハイゼンベルクによる）につながり、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、水素原子内の電子のエネルギー状態の導出を提供した。これは1913年にボーアによって最初に導出されたものと同等であり、水素スペクトルを再現することが知られていた。^[65]スピンと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を持つ原子内の電子の配置を予測することが可能になった。^[66]

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、相対論と対称性の考察を電磁場の量子力学のハミルトン定式化に適用することで、相対性理論と整合する電子モデル、ディラック方程式を作成した。 ^{[67]ディラック}は、相対論的方程式内のいくつかの問題を解決するために、1930年に負のエネルギーを持つ粒子の無限の海としての真空のモデルを開発し、後にディラックの海と呼ばれるようになった。これにより、彼は電子の反物質である陽電子の存在を予測した。 ^{[68]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、彼は標準的な電子をネガトロンと呼び、正と負に帯電した変種の両方を説明するために電子を一般的な用語として使用することを提案した。^[69]

1947年、ウィリス・ラムは大学院生のロバート・レザーフォードと共同で、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互いに対してシフトしていることを発見した。この差はラムシフトと呼ばれるようになった。ほぼ同じ頃、ポリカルプ・クッシュはヘンリー・M・フォーリーと共同で、電子の磁気モーメントがディラックの理論で予測されたものよりもわずかに大きいことを発見した。この小さ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。この差は後に朝永振一郎、ジュリアン・シュウィンガー、 リチャード・ファインマンが1940年代後半に開発した量子電磁力学の理論によって説明された。 ^[70]

20世紀前半の粒子加速器の開発により、物理学者は素粒子の特性についてより深く探究し始めた。^[71]電磁誘導を使用して電子を加速する最初の成功した試みは、1942年にドナルド・カーストによって行われた。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でシンクロトロン放射が発見された。この放射は、電子が光速に近い速度で移動する際に磁場を通過するときに加速されることによって発生した。^[72]

1.5 GeVのビームエネルギーを持つ最初の高エネルギー粒子加速器はADONEで、1968年に稼働を開始しました。^[73]この装置は電子と陽電子を反対方向に加速し、静止したターゲットに電子を衝突させる場合と比較して、衝突エネルギーを実質的に2倍にします。^[74] 1989年から2000年まで稼働していたCERNの大型電子陽電子衝突型加速器（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モデルにとって重要な測定を行いました。 ^{[75] [76]}

個々の電子は、極低温（−269℃（4K  ）から約−258℃（15K  ）の範囲）で動作する超小型（ L = 20nm、W = 20nm ）CMOSトランジスタ内に容易に閉じ込めることができる。^{[77]電子の波動関数は半導体格子内に広がり、価電子帯電子とほとんど相互作用しないため、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。

素粒子物理学の標準モデルでは、電子はレプトンと呼ばれる素粒子のグループに属し、基本粒子または素粒子であると考えられています。電子は、あらゆる荷電レプトン（または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、基本粒子の第一世代に属します。 ^[78]第二世代と第三世代には、電荷、スピン、相互作用において電子と同一であるが、より質量が大きい、ミューオンとタウという荷電レプトンが含まれます。レプトンは、強い相互作用がない点で、物質の他の基本構成要素であるクォークと異なります。レプトングループのすべてのメンバーは、半奇数の整数スピンを持っているためフェルミオンです。電子はスピン⁠1/2⁠ . ^[79]

電子の不変質量はおよそ9.109 × 10 ⁻³¹  kg、 ^[80]または5.489 × 10 ⁻⁴  Da 。質量エネルギー等価性により、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。 ^{[15] [81]}天文学的測定によると、陽子と電子の質量比は、標準モデルで予測されるように、少なくとも宇宙の年齢の半分の間同じ値を維持している。^[82]

電子の電荷は−1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ クーロン^[80]であり、素電荷とも呼ばれる。実験精度の限界内では、電子の電荷は陽子の電荷と同一であるが、符号が逆である。^[83]電子は一般に次のように表される。
e⁻
で表され、陽電子は
e⁺
. ^{[79] [80]}

電子は固有の角運動量またはスピンを持っている。ħ/2⁠ . ^[80]この性質は通常、電子をスピン1/2粒子として言及することによって説明されます。^[79]このような粒子の場合、スピンの大きさは⁠ħ/2⁠、^[84]一方、任意の軸上のスピンの投影の測定結果は± ⁠ħ/2⁠。電子はスピンに加えて、スピン軸に沿って固有の磁気モーメントを持っています。 ^[80]これは1ボーア磁子にほぼ等しく、^{[85] [d]}は物理定数で、9.274 010 0657 (29) × 10 ⁻²⁴  J⋅T ⁻¹。^[86]電子の運動量に対するスピンの向きは、ヘリシティとして知られる素粒子の特性を定義します。^[87]

電子には既知の下部構造がない。^{[1] [88]}それにもかかわらず、凝縮物質物理学では、一部の物質でスピン-電荷分離が発生することがある。そのような場合、電子は3つの独立した粒子、スピノン、オービトン、ホロン（またはチャージゴン）に「分裂」する。電子は常に理論的に3つの束縛状態と見なすことができ、スピノンは電子のスピンを運び、オービトンは軌道自由度を運び、チャージゴンは電荷を運ぶが、特定の条件下では独立した準粒子として振る舞うことができる。^{[89] [90] [91]}

電子の半径の問題は、現代の理論物理学の難問である。電子の有限半径の仮説を認めることは、相対性理論の前提と矛盾する。一方、点状の電子（半径ゼロ）は、電子の自己エネルギーが無限大に近づくため、深刻な数学的困難を生じさせる。^[92]ペニングトラップ内の単一電子の観察は、粒子の半径の上限が10 ⁻²² メートルであることを示唆している。^[93] 電子半径の上限である10 ⁻¹⁸ メートル^{[94]は、エネルギーの}不確定性関係を使用して導くことができる。また、「古典的電子半径」と呼ばれる物理定数があり、これははるかに大きい値である。2.8179 × 10 ⁻¹⁵  mであり、陽子の半径よりも大きい。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から来ており、実際には、いわゆる古典的な電子半径は電子の真の基本構造とはほとんど関係がありません。^{[95] [96] [e]}

自発的に崩壊して質量の小さい粒子になる素粒子がある。ミューオンはその一例で、平均寿命は2.2 × 10 ⁻⁶ 秒で、電子、ミューニュートリノ、電子反ニュートリノに崩壊する。一方、電子は理論的根拠から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、崩壊すると電荷保存則に違反する。^[97]電子の平均寿命の実験的下限は6.6 × 10 ²⁸年、90%信頼水準で。^{[9] [98] [99]}

すべての粒子と同様に、電子は波として振る舞うことができます。これは波動粒子二重性と呼ばれ、二重スリット実験を使用して実証できます。

電子の波のような性質により、電子は古典的な粒子の場合のように 1 つのスリットだけではなく、同時に 2 つの平行スリットを通過することができる。量子力学では、1 つの粒子の波のような性質は、複素数値関数である波動関数として数学的に記述することができ、一般にギリシャ文字の psi ( ψ ) で表される。この関数の絶対値を2 乗すると、粒子がある場所の近くで観測される確率、つまり確率密度が得られる。^{[100] : 162–218}

電子は、固有の物理的特性によって互いに区別できないため、同一の粒子である。量子力学では、これは相互作用する電子のペアが、システムの状態に観測可能な変化を及ぼすことなく位置を交換できる必要があることを意味する。電子を含むフェルミオンの波動関数は反対称であり、2つの電子が交換されると符号が変わることを意味する。つまり、 ψ ( r ₁ , r ₂ ) = − ψ ( r ₂ , r ₁ )であり、変数r ₁とr _{2 は}それぞれ最初の電子と2番目の電子に対応する。絶対値は符号の交換によって変化しないため、これは等確率に対応する。光子などのボソンは、代わりに対称的な波動関数を持つ。 ^{[100] : 162–218}

反対称性の場合、相互作用する電子の波動方程式の解は、各電子対が同じ位置または状態を占める確率がゼロになる。これがパウリの排他原理の原因であり、2つの電子が同じ量子状態を占めることを排除する。この原理は、電子の多くの特性を説明する。たとえば、この原理により、束縛された電子のグループが、同じ軌道で互いに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。 ^{[100] : 162–218}

誤った考えを抱かせがちな単純化した図では、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、その後すぐに急速に消滅します。 ^[101]これらの粒子を生成するために必要なエネルギー変化と、それらが存在する時間の組み合わせは、ハイゼンベルクの不確定性関係Δ E  · Δ t  ≥  ħで表される検出可能性の閾値を下回ります。実際には、これらの仮想粒子を生成するために必要なエネルギー Δ Eは、一定期間 Δ tの間真空から「借りる」ことができるため、それらの積は、縮小されたプランク定数ħ ≈以下になります。6.6 × 10 ⁻¹⁶  eV·s。したがって、仮想電子の場合、Δ tは最大で1.3 × 10 ⁻²¹ 秒。^[102]

電子-陽電子仮想対が存在している間、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付けられ、生成された電子は反発する。これにより、真空分極と呼ばれる現象が発生する。実際、真空は誘電率が1より大きい媒体のように動作する。したがって、電子の有効電荷は実際には真の値よりも小さく、電子からの距離が増すにつれて電荷は減少する。^{[103] [104]この分極は、1997年に日本の}TRISTAN粒子加速器を使用して実験的に確認された。^[105]仮想粒子は、電子の質量と同等の遮蔽効果を引き起こす。 ^[106]

仮想粒子との相互作用は、電子の固有磁気モーメントがボーア磁子（異常磁気モーメント）からわずかに（約0.1%）ずれていることも説明する。^{[85] [107]この予測された差が実験的に決定された値と非常に正確に一致していることは、}量子電磁力学の偉大な成果の一つと考えられている。^[108]

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らかなパラドックスは、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できる。これらの光子は、電子をジッタリング方式で移動させる（ジッターベヴェーグングとして知られる）原因であると経験的に考えることができ、その結果、歳差運動を伴う正味の円運動が生じる。^[109]この運動により、電子のスピンと磁気モーメントの両方が生成される。^[14]原子では、この仮想光子の生成によってスペクトル線で観測されるラムシフトが説明される。^[103]コンプトン波長は、電子などの素粒子の近くでは、エネルギーの不確実性により、電子の近くに仮想粒子が生成されることを示す。この波長は、近距離にある素粒子の周りの仮想粒子の「静電気」を説明する。

電子は電場を発生させ、陽子などの正電荷を持つ粒子には引力、負電荷を持つ粒子には斥力を与えます。この力の強さは、非相対論的近似ではクーロンの逆二乗則によって決まります。^{[110] : 58–61}電子が運動すると、磁場が発生します。^{[100] : 140}アンペール・マクスウェルの法則は、磁場と、観測者に対する電子の質量運動（電流）を関連付けます。この誘導特性により、電気モーターを駆動する磁場が供給されます。^[111]任意の運動する荷電粒子の電磁場は、リエナール・ヴィーヒャルトポテンシャルによって表されます。このポテンシャルは、粒子の速度が光速に近い場合（相対論的）でも有効です。^{[110] : 429–434}

電子が磁場中を移動するとき、電子は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働くローレンツ力の影響を受ける。この向心力により、電子は磁場中をジャイロ半径と呼ばれる半径で螺旋状の軌道を描く。この湾曲した運動による加速により、電子はシンクロトロン放射の形でエネルギーを放射する。^{[112] [f] [100] : 160}エネルギー放射は次に、アブラハム・ローレンツ・ディラック力として知られる電子の反動を引き起こし、電子を減速させる摩擦を生み出す。この力は、電子自身の磁場が電子自身に及ぼす反作用によって引き起こされる。 ^[113]

量子電気力学では、光子が粒子間の電磁相互作用を媒介する。一定速度で移動する孤立した電子は、実光子を放出したり吸収したりできない。そうすると、エネルギーと運動量の保存則に違反する。代わりに、仮想光子が2つの荷電粒子間で運動量を伝達できる。たとえば、この仮想光子の交換により、クーロン力が発生する。^[114]エネルギー放出は、移動する電子が陽子などの荷電粒子によって偏向されたときに発生する。電子が減速すると、制動放射線が放出される。^[115]

光子（光）と孤立電子（自由電子）との非弾性衝突はコンプトン散乱と呼ばれる。この衝突により粒子間の運動量とエネルギーの移動が起こり、光子の波長がコンプトンシフトと呼ばれる量だけ変化する。^[g]この波長シフトの最大の大きさはh / m _e cで、コンプトン波長として知られている。^[116]電子の場合、その値は2.43 × 10 ⁻¹²  m。^[80]光の波長が長い場合（例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ようになります。このような光と自由電子の相互作用はトムソン散乱または線状トムソン散乱と呼ばれます。 ^[117]

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、微細構造定数で表されます。この値は、1コンプトン波長の距離における静電引力（または反発力）の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で形成される無次元量です。これは、α  ≈ で与えられます。0.007 297 353 , ^[118]これはほぼ⁠1/137⁠ .

電子と陽電子が衝突すると、それらは互いに消滅し、2つ以上のガンマ線光子を生成します。電子と陽電子の運動量が無視できるほど小さい場合、消滅によって合計1.022 MeVの2つまたは3つのガンマ線光子が発生する前に、陽電子原子が形成されます。 ^{[119] [120]}一方、高エネルギー光子は、対生成と呼ばれるプロセスによって電子と陽電子に変換できますが、原子核などの近くの荷電粒子が存在する場合のみです。^{[121] [122]}

電弱相互作用の理論では、電子の波動関数の左手成分は電子ニュートリノと弱い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、電子ニュートリノが電子のように振舞うことを意味する。この二重項のどちらのメンバーも、電子を放出または吸収することで荷電電流相互作用を受けることができる。
わ
と他のメンバーに変換されます。この反応中はWボソンも電荷を帯びているため電荷は保存され、変換中の正味の変化は打ち消されます。放射性原子のベータ崩壊現象は荷電カレント相互作用によるものです。電子と電子ニュートリノはどちらも中性カレント相互作用を受けることができます。
ず⁰
交換はニュートリノと電子の弾性散乱の原因となる。^[123]

電子はクーロン引力によって原子核に結合できます。原子核に結合した 1 つ以上の電子のシステムを原子と呼びます。電子の数が原子核の電荷と異なる場合、そのような原子はイオンと呼​​ばれます。結合した電子の波のような動作は、原子軌道と呼ばれる関数によって記述されます。各軌道には、エネルギー、角運動量、角運動量の投影などの独自の量子数セットがあり、これらの軌道の離散的なセットのみが原子核の周囲に存在します。パウリの排他原理によると、各軌道は最大 2 つの電子によって占有され、それらのスピン量子数が異なっている必要があります。

電子は、電位差に一致するエネルギーを持つ光子を放出または吸収することで、異なる軌道間を移動することができます。^{[124] : 159–160}軌道移動の他の方法には、電子などの粒子との衝突やオージェ効果などがあります。^[125]原子から脱出するには、電子のエネルギーを原子への結合エネルギー以上に高める必要があります。これは、たとえば光電効果で発生し、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ます。^{[124] : 127–132}

電子の軌道角運動量は量子化されている。電子は電荷を帯びているため、角運動量に比例する軌道磁気モーメントを生成する。原子の正味磁気モーメントは、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ると無視できるほど小さい。同じ軌道を占める電子の磁気モーメントは対電子と呼ばれ、互いに打ち消し合う。^[126]

原子間の化学結合は、量子力学の法則で説明されているように、電磁相互作用の結果として発生します。^[127]最も強い結合は、原子間での電子の共有または移動によって形成され、分子の形成を可能にします。^[17]分子内では、電子はいくつかの原子核の影響下で移動し、孤立した原子の原子軌道を占有できるのと同じように、分子軌道を占有します。^{[128]これらの分子構造の基本的な要素は、}電子対の存在です。これらは反対のスピンを持つ電子であり、パウリの排他原理に違反することなく同じ分子軌道を占有できます（原子の場合とよく似ています）。異なる分子軌道は、電子密度の空間分布が異なります。たとえば、結合ペア（つまり、実際に原子を結合するペア）では、電子は原子核間の比較的小さな体積に最大確率で存在します。対照的に、非結合ペアでは、電子は原子核の周りの大きな体積に分布しています。^[129]

物体が原子核の正電荷と釣り合うのに必要な数より多いか少ない電子を持っている場合、その物体は正味の電荷を持っています。電子が過剰である場合、その物体は負に帯電していると言われます。原子核の陽子の数より電子が少ない場合、その物体は正に帯電していると言われます。電子の数と陽子の数が等しい場合、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言われます。マクロな物体は摩擦電気効果によって摩擦を通じて電荷を帯びることがあります。^[133]

真空中を動く独立した電子は自由電子と呼ばれる。金属中の電子も自由であるかのように振舞う。実際には、金属やその他の固体中で一般に電子と呼ばれる粒子は準電子、つまり準粒子であり、実際の電子と同じ電荷、スピン、磁気モーメントを持ちながら、質量が異なる場合がある。^[134]真空中と金属中の自由電子が動くと、電流と呼ばれる正味の電荷の流れが生じ、磁場が発生する。同様に、磁場の変化によっても電流が生じる。これらの相互作用は数学的にはマクスウェル方程式で記述される。^[135]

与えられた温度において、各物質は電気伝導性を持ち、それが電位が加えられたときの電流値を決定する。良導体の例としては銅や金などの金属が挙げられ、ガラスやテフロンは不良導体である。どの誘電体でも、電子はそれぞれの原子に束縛されたままであり、物質は絶縁体として振る舞う。ほとんどの半導体は、伝導と絶縁の両極端の間に位置する可変レベルの伝導性を持つ。^[136]一方、金属は部分的に満たされた電子バンドを含む電子バンド構造を持つ。そのようなバンドの存在により、金属内の電子は自由電子または非局在化電子であるかのように振る舞うことができる。これらの電子は特定の原子に関連付けられていないため、電場が加えられると、自由電子とほぼ同様に物質内をガスのように自由に移動できる（フェルミガスと呼ばれる）^[137]。

電子と原子の衝突により、導体内の電子の移動速度は毎秒数ミリメートルのオーダーである。しかし、物質内のある点における電流の変化が物質の他の部分の電流の変化を引き起こす速度、すなわち伝播速度は、通常、光速の約75％である。^[138]これは、電気信号が波として伝播し、その速度が物質の誘電率に依存するために起こる。 ^[139]

金属は比較的熱伝導性が高いが、これは主に非局在化した電子が原子間で熱エネルギーを自由に輸送できるためである。しかし、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。これは数学的にはヴィーデマン・フランツの法則^[137]で表現され、熱伝導率と電気伝導率の比は温度に比例する。金属格子の熱的無秩序性により材料の電気抵抗が増大し、電流の温度依存性が生じる。^[140]

臨界温度と呼ばれる点以下に冷却されると、物質は相転移を起こし、電流に対する抵抗を完全に失います。このプロセスは超伝導と呼ばれます。BCS理論では、クーパー対と呼ばれる電子対の運動は、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ており、それによって通常は電気抵抗を生み出す原子との衝突を回避しています。^[141]（クーパー対の半径は約100 nmであるため、互いに重なり合うことができます。）^{[142]しかし、}より高温の超伝導体が動作するメカニズムは不明のままです。

導電性固体内の電子は、それ自体が準粒子であるが、絶対零度に近い温度にしっかりと閉じ込められると、スピノン、オービトン、ホロンという3つの他の準粒子に分裂したかのように振舞う。^{[143] [144]}前者はスピンと磁気モーメントを運び、後者は軌道位置を運び、後者は電荷を運ぶ。

アインシュタインの特殊相対性理論によれば、電子の速度が光速に近づくと、観測者の観点からはその相対質量が増加し、観測者の基準枠内で電子を加速することが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、到達することはできない。しかし、相対論的電子、つまりcに近い速度で移動する電子を水などの誘電媒体に注入すると、局所的な光速がcよりも大幅に遅くなり、電子は媒体内を一時的に光よりも速く移動する。電子が媒体と相互作用すると、チェレンコフ放射と呼ばれる微弱な光を生成する。^[145]

特殊相対性理論の効果は、ローレンツ因子と呼ばれる量に基づいており、次のように定義されます。ここで、vは粒子の速度です。速度vで移動する電子の運動エネルギーK _{e は}、次の式で表されます。 ${\displaystyle \scriptstyle \gamma =1/{\sqrt {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}}$

${\displaystyle \displaystyle K_{\mathrm {e} }=(\gamma -1)m_{\mathrm {e} }c^{2},}$

ここで、m _{e は}電子の質量である。例えば、スタンフォード線形加速器は、電子をおよそ51 GeVまで加速することができる。 ^[146] 電子は波として振舞うため、与えられた速度では特徴的なド・ブロイ波長を持つ。これはλ _e  =  h / pで与えられ、hはプランク定数、pは運動量である。^[60]上記の51 GeV電子の場合、波長は約2.4 × 10 ⁻¹⁷  mであり、原子核よりはるかに小さい構造を探索するのに十分な大きさである。^[147]

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す。^[149]ビッグバンの最初の1ミリ秒間、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ました。これらの光子は十分にエネルギーが高かったため、互いに反応して電子と陽電子のペアを形成しました。同様に、陽電子と電子のペアは互いに消滅し、エネルギーの高い光子を放出しました。

γ
+
γ
↔
e⁺
+
e⁻

宇宙の進化のこの段階では、電子、陽電子、光子の間の平衡が維持されていました。しかし、15秒が経過すると、宇宙の温度は電子陽電子の形成が起こり得る閾値を下回りました。生き残った電子と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ました。^[150]

理由は不明であるが、消滅の過程では粒子の数が反粒子の数を上回った。そのため、電子と陽電子のペア10億個につき約1個の電子が生き残った。この過剰は陽子の反陽子に対する過剰と一致し、重粒子非対称性と呼ばれる状態となり、宇宙の正味電荷はゼロとなった。^{[151] [152]生き残った陽子と中性子は、}元素合成と呼ばれるプロセスで互いに反応し始め、水素とヘリウムの同位体と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。^[153]残った中性子は、半減期が約1000秒の負のベータ崩壊を起こし、その過程で陽子と電子を放出した。

ん
→
p
+
e⁻
+
ν
_e

次回については300 000 –40万 年後、余剰電子は原子核と結合するにはエネルギーが強すぎた。^{[154]その後は}再結合と呼ばれる期間が続き、中性原子が形成され、膨張する宇宙は放射線を透過するようになった。^[155]

ビッグバンから約100万年後、第一世代の星が形成され始めました。^[155]星の内部では、恒星の核合成により原子核の融合から陽電子が生成されます。これらの反物質粒子はすぐに電子と対消滅し、ガンマ線を放出します。最終的な結果は、電子の数が着実に減少し、中性子の数が一致するように増加することです。ただし、恒星の進化のプロセスにより、放射性同位体が合成される可能性があります。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します。^[156]一例として、コバルト60（⁶⁰ Co）同位体は、ニッケル60（⁶⁰
ニ
）。^[157]

約20太陽質量以上の恒星は、その生涯の終わりに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。^[158]古典物理学によれば、これらの大質量恒星は、シュワルツシルト半径を超えて逃げることができないほどの強い重力を及ぼす。しかし、量子力学効果により、この距離で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。

事象の地平線付近に仮想粒子（電子と陽電子など）のペアが生成されると、ランダムな空間配置によってそのうちの1つが外部に現れることがあります。このプロセスは量子トンネル効果と呼ばれます。ブラックホールの重力ポテンシャルは、この仮想粒子を実際の粒子に変換するエネルギーを供給し、宇宙に放射することができます。^[159]代わりに、ペアのもう1つのメンバーには負のエネルギーが与えられ、ブラックホールの質量エネルギーが正味で失われます。ホーキング放射の速度は質量の減少とともに増加し、最終的にブラックホールは蒸発して最終的に爆発します。^[160]

宇宙線は高エネルギーで宇宙を移動する粒子です。3.0 × 10 ²⁰  eVのエネルギーが記録されています。^[161]これらの粒子が地球の大気中で核子と衝突すると、パイオンを含む粒子のシャワーが発生します。^[162]地球の表面から観測される宇宙線の半分以上はミューオンで構成されています。ミューオンと呼ばれる粒子は、上層大気でパイオンが崩壊して生成されるレプトンです。

π⁻
→
μ⁻
+
ν
_μ

ミューオンは崩壊して電子または陽電子を形成する。^[163]

μ⁻
→
e⁻
+
ν
_e+
ν
_μ

電子の遠隔観測には、電子が放射するエネルギーの検出が必要である。例えば、星のコロナ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、制動放射線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を起こすことができ、これは電子密度の同期した変化によって引き起こされる波であり、これにより電波望遠鏡を使用して検出できるエネルギー放射を生成する。^[165]

光子の周波数はそのエネルギーに比例する。束縛された電子が原子の異なるエネルギーレベル間を遷移する際、特徴的な周波数の光子を吸収または放出する。例えば、原子が広いスペクトルを持つ光源から照射されると、原子の電子が対応する周波数を吸収する場所に、透過した放射線のスペクトルに明確な暗い線が現れる。各元素または分子は、水素スペクトル系列などの特徴的なスペクトル線のセットを示す。これらの線が検出されると、その強度と幅の分光測定により、物質の組成と物理的特性を判定できる。^{[166] [167]}

実験室環境では、個々の電子の相互作用は粒子検出器によって観察することができ、エネルギー、スピン、電荷などの特定の特性を測定できる。^[168]ポールトラップとペニングトラップの開発により、荷電粒子を小さな領域内に長時間閉じ込めることができるようになった。これにより、粒子の特性を正確に測定できる。たとえば、ある例では、ペニングトラップを使用して単一の電子を10か月間閉じ込めた。^[169]電子の磁気モーメントは11桁の精度で測定され、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。^[170]

電子のエネルギー分布を撮影した最初のビデオ画像は、2008年2月にスウェーデンのルンド大学のチームによって撮影されました。科学者たちはアト秒パルスと呼ばれる非常に短い光の閃光を使用し、初めて電子の動きを観察することができました。^{[171] [172]}

固体材料中の電子の分布は、角度分解光電子分光法（ARPES）によって視覚化できます。この技術は光電効果を利用して逆格子空間（周期構造の数学的表現）を測定し、元の構造を推測するために使用されます。ARPESは、材料内の電子の方向、速度、散乱を決定するために使用できます。^[173]

電子ビームは溶接に用いられる。^[175]電子ビームは最大エネルギー密度を可能にする。0.1～1.3 mmの狭い焦点径で10 ⁷  W·cm ^−2の高出力を実現し、通常は充填材を必要としません。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実行する必要がありますが、通常は溶接に適さないと考えられる導電性材料の接合にも使用できます。^{[176] [177]}

電子ビームリソグラフィー（EBL）は、1マイクロメートル未満の解像度で半導体をエッチングする方法です。^{[178]この技術は、コストが高く、パフォーマンスが遅く、ビームを真空中で操作する必要があり、電子が固体内で散乱する傾向があるという制限があります。最後の問題により、解像度は約10nmに制限されます。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ます。^[179]

電子ビーム処理は、物質の物理的特性を変えたり、医薬品や食品を殺菌したりするために照射するために使用されます。 ^[180]電子ビームは、強力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します。たとえば、強力な電子照射は粘度を数桁減少させ、活性化エネルギーを段階的に減少させます。^[181]

線形粒子加速器は、放射線治療における表在性腫瘍の治療に電子線を発生させる。電子線は吸収される前に限られた深さまでしか浸透しないため、通常、5～20MeVの電子エネルギーでは最大5cmまでしか浸透しないため、電子線治療は基底細胞癌などの皮膚病変を治療することができる。電子線は、 X線照射を受けた部位の治療を補助するために使用することができる。^{[182] [183]}

粒子加速器は、電子とその反粒子を高エネルギーにするために電場を使用する。これらの粒子は磁場を通過する際にシンクロトロン放射を放出する。この放射の強度がスピンに依存することで電子ビームが偏極する。これはソコロフ・テルノフ効果として知られるプロセスである。^[h]偏極電子ビームはさまざまな実験に有用である。シンクロトロン放射は電子ビームを冷却して粒子の運動量の広がりを減らすこともできる。電子ビームと陽電子ビームは、粒子が必要なエネルギーまで加速すると衝突する。粒子検出器は、結果として生じるエネルギー放出を観測し、これを素粒子物理学で研究する。^[184]

低エネルギー電子回折（LEED）は、結晶性物質に平行電子ビームを照射し、その結果生じる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。必要な電子のエネルギーは通常20～200 eVの範囲である。^[185]反射高エネルギー電子回折（RHEED）技術は、さまざまな低角度で照射された電子ビームの反射を利用して結晶性物質の表面を特徴付ける。ビームエネルギーは通常8～20 keVの範囲であり、入射角は1～4°である。^{[186] [187]}

電子顕微鏡は、焦点を絞った電子ビームを試料に向けます。電子ビームが物質と相互作用すると、一部の電子は移動方向、角度、相対位相、エネルギーなどの特性が変化します。顕微鏡学者は、電子ビームのこれらの変化を記録して、物質の原子レベルの分解能を持つ画像を作成できます。^[188]青色光では、従来の光学顕微鏡の回折限界分解能は約 200 nm です。^[189]これに比べて、電子顕微鏡は電子のド・ブロイ波長によって制限されます。この波長は、たとえば、100,000ボルトの電位で加速された電子の場合、0.0037 nm に相当します。^[190]透過型電子収差補正顕微鏡は、0.05 nm 未満の分解能が可能で、個々の原子を分解するには十分すぎるほどです。^[191]この機能により、電子顕微鏡は高解像度の画像化に便利な実験装置になります。ただし、電子顕微鏡は高価な装置であり、維持費もかかります。

電子顕微鏡には、透過型と走査型の2つの主な種類があります。透過型電子顕微鏡はオーバーヘッドプロジェクターのように機能し、電子ビームが材料のスライスを通過し、レンズによって写真スライドまたは電荷結合素子に投影されます。走査型電子顕微鏡は、テレビのように細かく焦点を絞った電子ビームを研究対象のサンプル全体にラスターして画像を生成します。両方の顕微鏡タイプで、倍率は100倍から1,000,000倍以上です。走査型トンネル顕微鏡は、鋭い金属チップから研究対象の材料への電子の量子トンネル効果を利用して、その表面の原子レベルで分解された画像を生成します。^{[192] [193] [194]}

自由電子レーザー（FEL）では、相対論的電子ビームが、磁場が交互に向く双極子磁石の配列を含む一対のアンジュレータを通過します。電子はシンクロトロン放射を放出し、これは同じ電子とコヒーレントに相互作用して、共鳴周波数で放射場を強力に増幅します。FELは、マイクロ波から軟X線まで、幅広い周波数のコヒーレントな高輝度電磁放射を放出できます。これらのデバイスは、製造、通信、および軟部組織手術などの医療用途で使用されています。^[195]

電子はブラウン管において重要な役割を果たしており、ブラウン管は実験器具、コンピュータモニター、テレビなどの表示装置として広く使われてきました。^[196]光電子増倍管では、光電陰極に当たる光子ごとに電子のなだれが発生し、検出可能な電流パルスが生成されます。^[197]真空管は電子の流れを利用して電気信号を操作し、電子工学技術の発展に重要な役割を果たしました。しかし、トランジスタなどの固体素子に大きく取って代わられました。^[198]

• 「電子の発見」。物理学史センター。アメリカ物理学協会。
• 「粒子データグループ」。カリフォルニア大学。
• Bock, RK; Vasilescu, A. (1998). 粒子検出器ブリーフブック (第 14 版). Springer. ISBN 978-3-540-64120-9。