Page 122 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

第八章 电子

一、电子概述
电子是最早发现的基本粒子（基底粒子）。1897 年汤姆孙在研究阴极射线时发现，阴
极射线是由一些带负电的粒子组成的。他根据阴极射线在磁场作用下发生偏转的大小，测定

阴极射线粒子的荷质比（e/m），得出射线粒子的荷质比约为氢离子荷质比的 2000 倍，从而
得出结论：阴极射线是由质量比氢原子小得多的带负电的粒子组成的。这种带负电-e 的粒
子后来被称为电子。
汤姆孙发现电子后不到两年，又单独测定了电子电荷 e，他的方法是测定饱和蒸汽中带
电雾滴的数目和电荷总量，由此可以算出电子电荷的平均值。当时汤姆孙测得的值是
e  2 . 2  10  19 C
后来美国物理学家密立根（R.Millikan）改进和发展了汤姆孙的方法，采用油滴实验测得

e 1 . 594 10  19 C
由密立根的油滴实验得出的结论是：电荷是量子化的，任何电荷只能是基本电荷 e 的整数倍。
现在 e 的国际推荐值是
e 1 . 602176487   1040   19 C

电子质量 me 与基本电荷 e 一样，也是基本物理常数，它的国际推荐值是
m e  . 9 10938215   1045   31 kg

或表示为能量
m e c 2  . 0 510998910  MeV13  . 0 511 MeV

电子的发现拉开了研究亚原子结构的序幕。原子是由电子和原子核组成的，原子核由质
子和中子组成。电子是自旋为 1/2 的费米子，除了具有质量、能量和电荷之外，电子的自旋

角动量为 /2，并且有自旋磁矩。电子还具有波-粒二象性，电子的波动性于 1927 年为戴维
孙的电子-晶体衍射实验所证实。随着核外电子排布规律被揭示，元素周期表得到了圆满的
解释。1928 年狄拉克以他的方程为依据预言了正电子的存在，1932 年安德森在宇宙射线中

发现了正电子。正电子是电子的反粒子，除了具有与电子相反的电荷之外，正电子的质量、
能量、自旋角动量等均与电子相同。后来在实验中又发现，正负电子可湮灭为光子
e   e      （8.1）
+
-
e 、e 分别代表正、负电子，γ 代表光子。反过来，一个能量足够大（大于 1.022MeV）的
光子在一定条件下可衰变为正负电子偶
  e   e  （8.2）
电子和光子的相互转化表明，两者在物质组成上可能具有同源性，这也是我们提出物质绝对

运动假说的主要依据。
电子被发现后一百多年来，人们对它的研究是最多的，也是最透彻的。但是即便如此，
关于电子的大小（半径）及形状至今也还没有定论。迄今所有的实验观察均未发现电子有内
部结构，表明电子的确可能是基本粒子。最初有人曾提出过一个经典电子模型，该模型假设
2
电子静质能 mec 完全来自它的静电自能，即

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