電子
原子を構成する負電荷を持った素粒子 / ウィキペディア フリーな encyclopedia
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電子(でんし、英: electron、記号: e−
または β−
)は、電気素量に等しい大きさの負電荷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]、知られている限り構成要素や内部構造を持たないことから、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、換算プランク定数 ħ の半整数倍の値の固有角運動量(スピン)を持つことがある。電子はフェルミ粒子であり、2つの電子が同じ量子状態を占めることはパウリの排他原理によって禁じられる[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することも、光のように回折することもできる。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、エネルギー当たりのド・ブロイ波長が長いためである。
電子 Electron | |
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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, 電磁気力, 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 |
テンプレートを表示 |
標準模型 | ||||||||
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標準模型の素粒子 | ||||||||
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電子は、電気、磁気、化学結合、熱伝導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、電磁気力、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、観測者にはその電子が磁場を発生させるのが観測される。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。
電磁場によって個々の電子や電子プラズマをトラップすることは実験室レベルの機器でも可能である。特殊な望遠鏡を使えば宇宙空間の電子プラズマを検出することができる。電子が関わる応用分野は多く、、トライボロジー(特に摩擦帯電)、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)、粒子加速器などがある。
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学問分野において重要である。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、双方が結びついて原子が構成される。イオン化が起きると、すなわち負の電子と正の原子核の割合が変わると、原子系の結合エネルギーが変化する。複数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ような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、正符号の電荷(英語版)を持つことを除いて、電子と同じ性質を持つ。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。