電子

電子是一種帶有負電的次原子粒子，通常標記為 formula_1。電子是第一代輕子，以重力、電磁力和弱核力與其它粒子相互作用。輕子是構成物質的基本粒子之一，無法被分解為更小的粒子。電子帶有1/2自旋，是一種費米子，根據泡利不相容原理，任何兩個電子都不能處於同樣的量子態。電子的反粒子是正電子，其質量、自旋、帶電量大小都與電子相同，但是電量正負性與電子相反。電子與正電子會因碰撞而互相湮滅，並在這過程中，生成一對以上的光子。由電子與中子、質子所組成的原子，是物質的基本單位。相對於中子和質子所組成的原子核，電子的質量顯得極小。質子的質量大約是電子質量的1836倍。當原子的電子數與質子數不等時，則該原子會帶電；稱該帶電原子為離子。帶正電的離子叫陽離子，其電子數小於質子數；帶負電的離子叫陰離子，其電子數大於質子數。若物體的電子數不等於質子數，導致正負電量不平衡時，則稱該物體帶靜電。當正負電量平衡時，稱物體的電性為電中性。靜電在日常生活中有很多用途，例如，靜電油漆系統能夠將或聚氨酯漆，均勻地噴灑於物品表面。電子與質子之間的庫侖力能促使電子被束縛於原子內部，因此為束縛電子。兩個以上的原子，會交換或分享它們的束縛電子，這是化學鍵的主要成因。當電子不再被束縛於原子內部，而能夠自由移動於原子以外的空間時，則稱此電子為自由電子。多個自由電子共同移動所產生的淨流動現象稱為電流。在許多物理現象裡，像電傳導、磁性或熱傳導，電子都扮演了重要角色。移動的電子會產生磁場，也會被外磁場偏轉。呈加速度運動的電子會產生電磁輻射現象。根據大爆炸理論，宇宙現存的電子大部份都是生成於大爆炸事件。但也有一小部份是因為放射性物質的β衰變或高能量碰撞而生成的，例如，當宇宙線進入大氣層時遇到的碰撞。在另一方面，許多電子會因為與正子相碰撞而互相湮滅，或者，會在恆星內部製造新原子核的恆星核合成過程中被吸收。在實驗室裡，像四極離子阱一類的精密尖端儀器，可以長時間束縛電子，以供觀察和測量。大型託卡馬克設施，像國際熱核聚變實驗反應堆，利用磁場來約束住高熱電漿中的電子和離子，;}-}-根據粒子物理學的標準模型，電子是基本粒子，凡是自旋為半奇數的基本粒子都是費米子，電子是費米子，因為電子的自旋是 formula_9，費米子又分為輕子與重子兩種，它們的主要不同之處是輕子不涉及強相互作用，因此，電子是輕子。在所有帶電的輕子中，電子的質量最小，屬於第一代基本粒子。緲子和陶子分別為第二代和第三代的帶電輕子。它們的帶電量、自旋和所涉及到的基本互動作用都與電子相同。:1220-1222, 1226-1227基本性質.電子的質量大約為9.109 × 10−31kg或5.489 × 10−4amu。根據阿爾伯特·愛因斯坦的質能等價原理，這質量等價於0.511 MeV靜止能量。質子質量大約為電子質量的1836倍。天文測量顯示出，至少在最近這半個宇宙年齡期間，這質量比例都保持穩定不變，與標準模型所預測的相符合。電子所帶有的電量是基本電荷的電量：-1.602 × 10−19庫侖。這是亞原子粒子所使用的電荷單位的電量。在實驗準確極限內，電子的絕對帶電量與質子相等，但正負號相反。基本電荷通常用符號 formula_15 表示。電子用符號 formula_1 表示；正電子用符號 formula_17 表示；其中，正負號分別表示正負電荷。除了所帶有電荷的正負號不同以外，正電子與電子所具有的其它性質都相同。:21電子擁有內秉的角動量，稱為自旋。電子的自旋量子數為 formula_18。通常，當談到這性質時，電子會被指為是一種自旋1/2粒子。對於這種粒子，自旋角動量是 formula_19。{2} \hbar \,\!。}}假設量度自旋的投影於任意坐標軸，則獲得的答案只能為 formula_20。沿著自旋軸，電子的內在磁矩大約為1波耳磁元，或9.274 009 15×10−24焦耳/特斯拉。大多數物理學者認為，電子是一個點粒子，沒有任何空間延伸，電子沒有任何次結構。:1227在現代理論物理學裡，關於電子半徑的論題是很具挑戰性的問題。:1承認電子具有有限半徑這假定不符合相對論的前提，因為，這將導致切向速度快於光速，:74:172然而，假定電子為點粒子，半徑為零，則會造成嚴峻數學困難，因為電子的會趨於無窮大。:44-57從觀測束縛於潘寧阱內的電子，物理學家推斷電子半徑的上限為10−22公尺。經典電子半徑是2.82 × 10−15m。蘭姆位移研究揭露，電子的電荷是大致分佈於半徑為電子電子康普頓半徑的圓球形區域，電子康普頓半徑的數值為3.86 × 10−13m。:5-6很多基本粒子會自發衰變成質量更輕的粒子，緲子就是一個很好的例子。平均壽命為2.2 × 10−6秒的緲子會衰變成一個電子、一個微中子和一個反微中子。從現有理論論證，電子是很穩定的：電子是質量最輕的帶電粒子，它的衰變會違反電荷守恆定律。電子平均壽命的實驗最低限是年，置信水平是90%。如同所有其它微觀粒子，電子具有粒子性和波動性。這性質稱為波粒二象性。在雙縫實驗裡，單獨粒子能夠同時透過兩條狹縫，並且自己與自己相互干涉，造成了顯示於偵測屏障的明亮條紋和黑暗條紋，使用高階的實驗裝置，又可以觀測到，電子總是以一顆顆粒子的方式抵達偵測屏障電子是全同粒子。沒有任何方法能夠分辨出一個電子與另一個電子有甚麼不同。由於電子的自旋為半整數，電子是費米子，遵循泡利不相容原理，任意兩個電子都不能佔有同樣的量子態。這原理解釋了許多有關電子在原子內的性質，例如，在原子內，每個原子軌域最多隻能容納兩個電子，為了符合反對稱性，必須一個電子的自旋往上，另一個電子的自旋往下，而不是所有的束縛電子都佔有同樣一個最低能級的軌域。:210-214虛粒子.物理學者認為，空間會繼續不停地生成一對一對的虛粒子，例如，正負電子虛對，而在生存短暫的一段時間後，這些成對的虛粒子會相互湮滅。在這過程裡，假若要偵測生成的虛粒子，生成虛粒子所需要的能量漲落 formula_21，虛粒子能夠被偵測所需要的存在時間 formula_22，必須滿足海森堡不確定原理所設定的偵測底限，formula_23；其中，formula_24 是約化普朗克常數。實際而言，生成這些虛粒子所需要的能量 formula_21，可以從真空暫時借用一段時間 formula_22，只要它們的乘積小於約化普朗克常數 formula_24 就行。這樣，理論上不會被儀器偵測出來，也不會違反海森堡不確定原理。根據這推理，對於虛電子，formula_22 最多是1.3 × 10−21秒。 :80如左圖所示，正負電子虛對會隨機性地出現於一個電子的附近。當正負電子虛對尚然存在的時候，虛正電子會感受到原本電子施加的吸引性庫侖力，而虛電子則會感受到排斥性庫侖力，因此造成真空極化，真空變得好像一個具有電容率 formula_29 的電介質，電子的有效電荷量變得小於真實裸電荷量，而且隨著離原本電子距離的增加而遞減，直到距離大於電子康普頓波長為止。:69-70透過1997年用日本完成的實驗，真空極化理論得到了強有力的證實。對於電子的質量，虛粒子也會造成遮蔽效應虛粒子互動作用能夠解釋，在電子的內在磁矩與波耳磁元之間，微小的偏差，稱為異常磁矩。這理論結果超特準確地與實驗測定的數值相符合。無可否認地，在這裡，量子電動力學交出了一份漂亮的成績單。:221-222在經典物理學裡，描述電子為具有內秉的角動量與磁矩的點粒子的明顯悖論，可以用電子的電場所生成的虛光子來解釋。這些虛光子會被電子持續不斷的吸收與再發射，因此促使電子快速地震顫，這震顫運動稱為顫動，由於虛光子具有角動量，顫動會造成電子的進動。透過過時間平均，導致質量與電荷的環流，這樣，點粒子可以表現出有限尺寸粒子所具有的性質，包括自旋、磁矩。:74顫動與真空極化共同造成了從譜線實驗觀測到的蘭姆位移。:5:245-247互動作用.電子是帶負電粒子，其所產生的電場，會吸引像質子一類的帶正電粒子，也會排斥像電子一類的帶負電粒子，這些現象所涉及的作用力遵守庫侖定律。:58-61一群電子在空間中的移動會形成電流，安培定律描述電流與磁場彼此之間的關係。:225-236法拉第感應定律描述時變磁場怎樣感應出電場。電磁感應是發電機的運作原理。:134根據經典電動力學，一個任意移動的帶電粒子，必須經過一段傳播時間，才能夠將其影響傳播到場位置，在場位置產生對應的推遲勢，稱為黎納-維謝勢。:429-434任意移動的帶電粒子所產生的電場和磁場，可以從黎納-維謝勢求得，也可以用傑斐緬柯方程式直接計算出來。:427-429應用狹義相對論，也可以推匯出同樣的結果。:525-532移動於磁場的電子，會感受到勞侖茲力的作用，這勞侖茲力垂直於磁場與電子速度這兩個向量所決定的平面，是向心力，因此電子會按照螺旋軌道移動於磁場，螺旋軌道的半徑稱為迴轉半徑，:205由於螺旋運動涉及加速度，電子會發射電磁輻射，對於這過程，非相對論性電子發射的電磁輻射稱為迴旋輻射，而相對論性電子發射的則稱為同步輻射。:288發射電磁輻射的同時，非相對論性電子也會感受到一種反衝力，稱為阿布拉罕-勞侖茲力，其能減緩電子的移動速度。阿布拉罕-勞侖茲力是一種由電子所產生的電磁場施加於自身的自作用力，是一種。:465-472在量子電動力學裡，粒子與粒子之間傳遞電磁互動作用的玻色子是光子。一個不呈加速度運動的孤獨電子，是無法發射或吸收真實光子的，因為這會違背能量守恆定律和動量守恆定律，然而，虛光子不須遵守這禁忌，虛光子可以擔當傳輸動量於兩個帶電粒子之間的責任，:64-65例如，兩個帶電粒子互相交換虛光子，從而形成了庫侖力。:61假設一個移動中的電子，因為感受到一個帶電粒子所產生的電場的庫侖力，而被，則電子會因為加速度運動而發射電磁輻射，這稱為-{zh-cn:軔致輻射;zh-tw:制動輻射。:277ff康普頓散射是光子與自由電子之間的彈性碰撞。這種碰撞涉及動量和能量的傳輸於兩個粒子之間，會改變光子的波長，這差值的最大值，稱為康普頓波長，以方程式表達為 formula_30；其中，formula_31 是普朗克常數，formula_32 是電子質量，formula_33 是光速。電子的康普頓波長為2.43 × 10−12 m。由於光子波長差很微小，很難被觀測到，除非波長差與波長的比率很大，即光子的波長也很短，才可被觀測到，因此，通常在X射線與伽瑪射線實驗裡才會觀測到康普頓效應。:137-138對於波長較長的光波，光子的動量可以被忽略，這種經典電磁學散射被稱為湯姆森散射。:694ff當電子與正電子相互碰撞時，它們會互相湮滅對方，同時生成兩個以上，偶數的伽馬射線光子，以180°相對角度發射出去。假若，可以忽略電子和正電子的動量，則這碰撞可能會先形成電子偶素原子，然後再湮滅成為兩個0.511 MeV伽馬射線光子。:90-91反過來看，高能量光子可以轉變為一個電子和一個正電子，這程式稱為成對產生。但是，由於違背了動量守恆定律，單獨光子不可能會發生成對產生。只有在像原子核等等的帶電粒子附近，由於庫侖作用，能量大於1.022 MeV的光子才有可能發生成對產生。:91-92弱互動作用有兩種，與中性流互動作用。載荷流互動作用的媒介是帶電性的W玻色子。透過發射W−玻色子或吸收W+玻色子，電子可轉變為電微中子；逆反過來，透過發射W+玻色子或吸收W-玻色子，電微中子也可轉變為電子。:307-308中性流互動作用的媒介是中性的Z玻色子，例如，微中子-電子散射或電子-電子散射。注意到電子-電子散射也可以用光子為媒介，任何以光子為媒介的過程都能夠以Z玻色子為媒介，對於基於電子-電子散射的庫侖定律，以Z玻色子為媒介的過程會給出微小修正。:72-73原子和分子.原子是由原子核與電子組成，由於庫侖力的作用，原子內部的電子被原子核吸引與束縛。假若，束縛電子的數目不等於原子核的質子數目，則稱此原子為離子。在原子內部，原子軌域描述束縛電子的物理行為。每一個原子軌域都有自己獨特的一組量子數，像主量子數、角量子數和磁量子數。原子軌域的主量子數設定能級，角量子數給出軌角動量，而磁量子數則是軌角動量對於某特定軸的量子化投影。根據泡利不相容原理，每一個原子軌域只能容納兩個電子，而這兩個電子的自旋波函式為反對稱，一個自旋向上，另一個自旋向下:210-217。處於一個原子軌域的電子，經過發射或吸收光子的過程，可以躍遷至另外一個原子軌域。發射或吸收的光子的所涉及的能量必須等於軌域能級的差值。:159-160電子也可以藉著與它粒子的碰撞，或靠著俄歇效應，躍遷至別的軌域。:173假若，束縛電子獲得的能量大於其束縛能的能量，則這束縛電子可以逃離原子，成為自由電子。例如，在光電效應裡，一個能量大於原子電離能的入射光子，被電子吸收，使得電子有足夠的能量逃離原子。:127-132電子的軌角動量是量子化的。由於電子帶有電荷，其軌磁矩與軌角動量成正比。原子的淨磁矩是原子核與每一個電子的軌磁矩和自旋磁矩的總向量和。但是，與電子的磁矩相比，核磁矩顯得超小，可以忽略。處於同樣軌域的兩個偶電子會互相抵銷對方的自旋磁矩。在原子與原子之間的化學鍵形成的物理機制是電磁作用，但是隻有利用量子力學理論才能給出完整說明。:68幾種常見的化學鍵為離子鍵、共價鍵和金屬鍵。在離子化合物裡，正離子和負離子會透過靜電作用形成離子鍵。在共價化合物裡，原子與原子之間透過共用電子形成共價鍵。在金屬裡，自由電子與排列成晶格狀的金屬離子之間的靜電吸引力形成金屬鍵。:4–10在分子內部，電子的運動會同時受到幾個原子核的影響，電子佔有分子軌域，就好像在單獨原子內部佔有原子軌域一般。遵守泡利不相容原理，每一個分子軌域只能容納兩個自旋相反的電子，稱為「電子偶。電子是按照能量增加的順序來佔有分子軌域，就如同原子軌域一般。不同的分子軌域有不同的電子機率密度分佈。例如，鍵結軌域利用分子軌道理論來說明最簡單的σ鍵案例，兩個分子軌道是由兩個1s原子軌道形成，能量較低的分子軌道稱為「成鍵軌道」，又稱為「σ軌道」，相應的鍵稱為「σ鍵」，能量較高分子軌道稱為「反鍵軌道」，又稱為「σ*軌道」，相應的鍵稱為「σ*鍵」。分子在基態時，構成化學鍵的電子通常處在成鍵軌道中，而讓反鍵軌道空著。:318-319電傳導和熱傳導.電導率是表示物質傳輸電流的強弱能力的一種測量值。當施加電壓於導體的兩端時，電子會從低電勢處朝著高電勢處移動，因而產生電流。依照慣例，對於導體，電流的方向與電子移動的方向恰巧相反。銅和金都是優良導體；而玻璃和橡膠則都是不良導體。:285-288在電介質裡，電子束縛於各自所屬的原子內，電介質的性質就好像絕緣質一樣。金屬物質擁有電子能帶結構，其電子能帶還沒有完全被電子填滿。這些尚未填滿的電子能帶，容許金屬內一些電子的舉止，好似自由電子或離域電子一般，與任何一個原子都沒有連結。當施加電場於金屬時，這些電子可以自由的移動於金屬，就像氣體移動於其容器內一般，稱這些電子為費米氣體或「自由電子費米氣體」:218-229。德魯德模型是一種「經典自由電子模型」，不涉及到量子力學。按照這模型，帶正電的原子核固定於晶格點，而自由移動於金屬內部的傳導電子是原子的價電子，其帶有負電。使用氣體動力論來描述傳導電子的物理行為，:2-3德魯德模型可以成功地推匯出歐姆定律、電傳導與熱傳導彼此之間的關係，可是，按照這模型，熱傳導與電子熱容量有關，而做實驗並沒有觀測到這麼強烈的關係，:22-23這主要是因為經典麥克斯韋-玻爾茲曼分佈無法描述電子的機率分佈。:133阿諾·索末菲將德茹德模型加以延伸，將量子力學的包立不相容原理納入考量，用費米-狄拉克分佈來描述電子的機率分佈，他成功發展出，又稱為「自由電子模型」，而在導體內的電子則被稱為「自由電子費米氣體」。:30:135德茹德-索莫菲模型正確說明瞭為什麼電子在室溫下的運動並沒有對於熱容量給出可觀察到的貢獻，又說明瞭在非常低溫度的熱容量可以用自由電子模型來估算。:47-49自由電子模型是很簡單的模型，其沒有將週期性、、納入考量。更進階的費米液體理論將自由電子模型加以延伸，假若電子所感受到的相互作用很微弱，則傳導電子仍舊可以被視為自由準電子，其擁有不同的有效質量。費米液體理論是許多摩登固態理論的起跑點，例如BCS理論，但是，對於高溫超導現象的解釋，它遇到很多困難。:161-162超導現象指的是，在足夠低溫狀況下，物質失去電阻的現象。1950年，赫伯特·弗勒利希建議，超導機制涉及到電子與物體晶格震動的耦合。從這建議，約翰·巴丁、利昂·庫珀與約翰·施裡弗合作建立了BCS理論，其能夠完全解釋常規超導現象。BCS理論表明，電子與晶格之間的互動作用導致形成稱為庫珀對的成對的電子，庫珀對能夠絲毫沒有阻礙地移動於物體內部。物體可以被視為正離子的晶格沉浸在電子雲裡，當電子透過晶格時，負電子會吸引正離子，使得正離子微小地移動，這動作促成一個正價區域，其會吸引另外一個電子，形成了庫珀對。由於庫珀對的結合能很弱，庫珀對很容易被熱能拆散，因此超導現象通常只會出現在非常低溫狀況下。。相對論性電子的性質.根據愛因斯坦的狹義相對論，相對於觀測者的參考系，電子的移動速度越快，電子的相對論性質量也越大，因而使得電子繼續加速所需要的能量越來越大，在接近光速時，趨向於無窮大。因此電子的移動速度可以接近光波在真空的傳播速度 formula_34，但絕不會達到 formula_34:20-24。光波傳播於像水一類的電介質的速度 formula_36，會明顯地小於 formula_34。假設，將相對論性電子入射於這一類的電介質，則相對論性電子在此電介質內的移動速度，會暫時地大於光波傳播於此電介質的速度 formula_36。當相對論性電子移動於此類電介質內部時，由於與電介質相互作用，會產生一種很微弱的輻射，稱為契忍可夫輻射。狹義相對論的效應要視勞侖茲因子的大小而決定。勞侖茲因子 formula_40 以方程式定義為formula_41；其中，formula_42 是粒子的速度。一個電子的動能 formula_43 是formula_44；其中，formula_45 是電子的靜質量。例如，史丹福直線加速器可以將電子加速到大約51 GeV。由於電子的靜質量大約為0.51 MeV，對應的 formula_40 值接近100,000。給予同樣的速度，這電子的相對論性動量 formula_47 是經典力學預測的動量 formula_48 的100,000倍。電子也擁有波動行為，其德布羅意波長 formula_49 以方程式表達為 formula_50；其中，formula_51 是普朗克常數，formula_52 是動量。對於前述的51 GeV電子，formula_49 大約為2.4 × 10−17 m，這波長的尺寸相當微小，所以，實驗者可以用電子來精密地探測原子核的內部結構。電子天文學理論.在眾多解釋宇宙早期演化的理論中，大爆炸理論是比較能夠被物理學界廣泛接受的科學理論:2。在大爆炸的最初幾秒鐘時間，溫度遠遠高過100億K。那時，光子的平均能量超過1.022 MeV很多，有足夠的能量來生成電子和正子對:第2.1.4節。這過程稱為電子正子成對產生，以公式表達為formula_54；其中，formula_40 是光子，formula_56 是正子，formula_57 是電子。同時，電子和正子對也在大規模地相互湮滅對方，並且發射高能量光子。在這短暫的宇宙演化階段，電子，正子和光子努力地維持著微妙的平衡。但是，因為宇宙正在快速地膨脹中，溫度持續轉涼，在10秒鐘時候，溫度已降到30億K，低於電子-正子生成過程的溫度底限100億K。因此，光子不再具有足夠的能量來生成電子和正子對，大規模的電子-正子生成事件不再發生。可是，電子和正子還是繼續不段地相互湮滅對方，發射高能量光子:第2.1.4節。由於某些尚未確定的因素，在中，生成的電子多於正子。否則，假若電子數量與正子數量相等，現在就沒有電子了:110-112。不只這樣，由於一種稱為重子不對稱性的狀況，質子的數目也多過反質子，大約每1億個粒子對與光子中，就會有一個額外的質子:134。很巧地，電子存留的數目跟質子多過反質子的數目正好相等。因此，宇宙淨電荷量為零，呈電中性。假若溫度高於10億K，任何質子和中子結合而形成的重氫，會立刻被高能量光子光解。在大爆炸後100秒鐘，溫度已經低於10億K，質子和中子結合而成的重氫，不再會被高能量光子光解，存留的質子和中子開始互相參予反應，形成各種氫的同位素和氦的同位素，和微量的鋰和鈹。這過程稱為太初核合成:第2.1.5節。在大約1000秒鐘時，溫度降到低於4億K。核子與核子之間，不再能靠著高速度隨機碰撞的機制，克服庫侖障壁，互相接近，產生核融合。因此，太初核合成過程無法進行，太初核合成階段大致結束:第2.1.6節。任何剩餘的中子，會因為半衰期大約為614秒的負貝他衰變，轉變為質子，同時釋出一個電子和一個反電微中子：formula_58；其中，formula_59 代表中子，formula_60 代表質子，formula_61 代表反電微中子。在以後的377,000年期間，電子的能量仍舊太高，無法與原子核結合。在這時期之後，隨著宇宙逐漸地降溫，原子核開始束縛電子，形成中性的原子。這過程稱為復合。在這相當快的復合過程時期之後，大多數的原子都成為中性，光子不再會很容易地與物質相互作用。光子也可以自由地移動於透明的宇宙。大爆炸的一百萬年之後，第一代恆星開始形成。在恆星內部，恆星核合成過程的各種核融合，會造成正子的生成同位素會因衰變而形成鎳-60。質量超過20太陽質量的恆星，在它生命的終點，會經歷到引力坍縮，因而變成一個黑洞。按照相對論理論，黑洞所具有的超強引力，足可阻止任何物體逃離，甚至電磁輻射也無法逃離。但是，物理學家認為，量子力學效應可能會允許電子和正子生成於黑洞的事件視界，因而使得黑洞發射出霍金輻射。當一對虛粒子，像正子-電子虛偶，生成於事件視界或其鄰近區域時，這些虛粒子的隨機空間分佈，可能會使得其中一個虛粒子，出現於事件視界的外部。這過程稱為量子穿隧效應。黑洞的引力勢會供給能量，使得這虛粒子轉變為真實粒子，輻射逃離黑洞。這輻射程式稱為霍金輻射。在另一方面，這程式的代價是，虛偶的另一位成員得到了負能量。這會使得黑洞淨損失一些質能。霍金輻射的發射率與黑洞質量成反比；質量越小，發射率越大。這樣，黑洞會越來越快地蒸發。在最後的0.1秒，超大的發射率可以類比於一個大爆炸。宇宙線是遨遊於太空的高能量粒子。物理學者曾經測量到能量高達3.0 × 1020 eV的粒子。當這些粒子進入地球的大氣層，與大氣層的核子發生碰撞時，會生成一射叢的粒子，包括π介子。緲子是一種輕子，是由π介子在高層大氣衰變而產生的。在地球表面觀測到的宇宙線，超過半數是緲子。半衰期為2.2微秒的緲子會因衰變而產生一個電子或正子。正確的π−介子反應式為formula_62，formula_63；其中，formula_64 是緲子，formula_65 是緲微中子，formula_66 是反緲微中子，formula_61 是反電微中子。觀測.靠著偵測電子的輻射能量，天文學家可以遠距離地觀測到電子的各種現象。例如，在像恆星日冕一類的高能量環境裡，自由電子會形成一種藉著制動輻射來輻射能量的電漿。電子氣體的電漿振盪是一種波動，是由電子密度的快速震盪所產生的波動。這種波動會造成能量的發射。天文學家可以使用無線電望遠鏡來偵測這能量。根據普朗克關係式，光子的頻率與能量成正比。當一個束縛電子躍遷於原子的不同能級的軌域之間時，束縛電子會吸收或發射具有特定頻率的光子。例如，當照射寬頻光譜的光源所產生的光波於原子時，特徵吸收光譜會出現於透射輻射的光譜。每一種元素或分子會顯示出一組特徵吸收光譜，像氫光譜。光譜學專門研究光譜線的強度和寬度。細心分析這些資料，即可得知物質的組成元素和物理性質。在實驗室操控條件下，電子與其它粒子的互動作用，可以用粒子偵測器來仔細觀察。電子的特徵性質，像質量、自旋和電荷等等，都可以加以測量檢驗。四極離子阱和潘寧阱可以長時間地將帶電粒子限制於一個很小的區域。這樣，科學家可以準確地測量帶電粒子的性質。例如，在一次實驗中，一個電子被限制於潘寧阱的時間長達10個月之久。1980年，由於各種先端科技的成功發展，電子磁矩的實驗值已經達到11個位數的精確度。在那時候，是所有由實驗得到的物理常數中，精確度最高的物理常數。2008年2月，隆德大學的一組物理團隊首先拍攝到電子能量分佈的視訊影像。科學家使用非常短暫的閃光，稱為阿託秒脈衝，率先捕捉到電子的實際運動狀況。在固態物質內，電子的分佈可以用角分辨光電子能譜學來顯像。應用光電效應理論，這科技照射高能量輻射於樣品，然後測量光電發射的電子動能分佈和方向分佈等等資料。仔細地分析這些資料，即可推論固態物質的電子結構。應用領域.電子束.是應用於焊接領域的電子束科技。這焊接技術能夠將高達107瓦特／公分2能量密度的熱能，聚焦於直徑為0.3–1.3公釐的微小區域。使用這技術，技工可以焊接更深厚的物件，限制大部分熱能於狹窄的區域，而不會改變附近物質的材質。為了避免物質被氧化的可能性，電子束焊接必須在真空內進行。不適合使用普通方法焊接的傳導性物質，可以考慮使用電子束焊接。在核子工程和航天工程裡，有些高價值焊接工件不能接受任何瑕疵。這時候，工程師時常會選擇使用電子束焊接來達成任務。電子束平版印刷術是一種解析度小於1公釐的蝕刻半導體的方法。這種技術的缺點是成本高昂、程式緩慢、必須操作於真空內、還有，電子束在固體內很快就會散開，很難維持聚焦。最後這缺點限制住解析度不能小於10奈米。因此，電子束平版印刷術主要是用來製造少數量特別的積體電路。技術使用電子束來照射物質。為了要改變物質的物理性質或滅除醫療物品和食品所含有的微生物，可以考慮使用電子束照射技術。做為放射線療法的一種，製備的電子束可以用來照射淺表性腫瘤。由於在被吸收之前，電子束只會穿透有限的深度，可以用來醫療像基底細胞癌一類的皮膚病。電子束療法也可以輔助治療已被X-射線照射過的區域。粒子加速器使用電場來增加電子或正子的能量，使這些粒子擁有高能量。當這些粒子透過磁場時，它們會放射同步輻射。由於輻射的強度與自旋有關，因而造成了電子束的偏振。這過程稱為。很多實驗都需要使用偏振的電子束為粒子源。同步輻射也可以用來降低電子束溫度，減少粒子的動量偏差。當粒子達到要求的能量，使電子束和正子束發生互相碰撞與湮滅，這會引起能量的發射。偵測這些能量的分佈，仔細研究分析實驗資料，物理學家可以瞭解電子與正子碰撞與湮滅的物理行為。成像.低能電子繞射技術技術以低角度照射準直電子束於晶體物質，然後蒐集反射圖樣的資料，從而推斷晶體表面的資料。這技術所使用的電子的能量在8–20 keV之間，入射角度為1–4°。電子顯微鏡將聚焦的電子束入射於樣本。由於電子束與樣本的互動作用，電子的性質，像移動方向、相對相位和能量，都會有所改變。細心地分析這些實驗蒐集到的資料，即可得到解析度為原子尺寸的影像。使用藍色光，普通的光學顯微鏡的解析度，因受到繞射限制，只能達到200奈米；相互比較，電子顯微鏡的解析度，則是受到電子的德布羅意波長限制，對於能量為100 keV的電子，解析度大約為0.0037奈米。能夠將解析度降到低於0.05奈米，能夠清楚地觀測到個別原子。這能力使得電子顯微鏡成為，在實驗室裡，高解析度成像不可缺少的儀器。但是，電子顯微鏡的價錢昂貴，保養不易。在操作電子顯微鏡時，樣品環境需要維持真空，科學家無法觀測活生物。電子顯微鏡主要分為兩種類式：穿透式和掃描式。穿透式電子顯微鏡的操作原理類似高架式投影機，將電子束對準於樣品切片發射，穿透過的電子再用透鏡投影於底片或電荷耦合元件。掃描電子顯微鏡用聚焦的電子束掃瞄過樣品，就好像在顯示器內一般。這兩種電子顯微鏡的放大率可從100倍到1,000,000倍，甚至更高。應用量子穿隧效應，掃描隧道顯微鏡將電子從尖銳的金屬針尖穿隧至樣品表面。為了要維持穩定的電流，針尖會隨著樣品表面的高低而移動，這樣，即可得到解析度為原子尺寸的樣本表面影像。自由電子雷射.在自由電子雷射裡，相對論性電子束會移動透過一對。每一個波盪器是由一排磁偶極矩組成，其磁場的磁偶極矩交替地指向相反方向。由於這些磁場的作用，電子會發射同步輻射；而這輻射會相干地與電子互動作用，會在共振頻率引起輻射場的強烈放大。自由電子雷射能夠發射相干的高輻射率的電磁輻射，而且頻域相當寬廣，從微波到軟X-射線。這元件可以應用於製造業、通訊業和各種醫療用途，像軟組織手術。現階段已執行的自由電子雷射有美國史丹福直線加速器中心的直線加速器相干光源。建成之後，E-XFEL將會是世界上規模最大，能量最高的自由電子雷射裝置。其它.陰極射線管的核心概念為，勞侖茲力定律的應用於電子束。陰極射線管廣泛的使用於實驗式儀器顯示器，電腦顯示器和電視。在光電倍增管內，每一個擊中的光子會因為光電效應引起一堆電子被發射出來，造成可偵測的電流脈波。曾經在電子科技研發扮演重要的角色，真空管藉著電子的流動來操縱電子訊號；但是，這元件現在已被電晶體一類的固態電子元件取代了。