王为民 （四川省南充市龙门中学邮编637103）

现在人们知道，电子是组成稳定原子的粒子之一，属于轻子族，通常用符号e表示。电子的质量为9.1×10^-28 克 ，相当于0.51MeV，带有1.6×10^-19 库仑的负电荷。

一、电子的发现

1858 年，一个德国玻璃工盖斯勒制成了一个封接着金电极的真空玻璃管，德国波思大学教授普鲁克用它进行通电实验，当他把真空玻璃管内空气抽出，使管内压力降到十万分之一大气压以下时，他发现真空玻璃管阴极对面玻璃管管壁上出现了绿色的辉光。

1876 年，德国物理学家哥顿斯坦认为管壁的辉光是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃壁上产生的。于是，他把这种射线叫做“阴极射线”。

1879 年，英国物理学家和化学家克鲁克斯和普鲁克的学生希托夫通过实验证实了空玻璃管上的辉光确实是从阴极发射出来的，但不知道是什么东西。

1897 年英国物理学家约翰•汤姆逊发现阴极射线在磁场中偏转所遵循的规律竟和普通通电导线一样。在电场中阴极射线与负电荷的运动方向一致。由此他断定阴极射线是带负电的粒子流。于是他认为这种带负电的微粒就是电子。“电子”一词首先是爱尔兰物理学家斯托尼在 1891年提出来的。

汤姆逊对电子的速度，电子所带的电量与电子的质量的比值（荷质比）进行了测定。因为证实了电子的存在而获得了 1906年度的诺贝尔物理学奖。

1911 年，美国物理学家密立根等人用精确的实验测出了单个电子的电量和质量。英国物理学家卢瑟福、丹麦物理学家波尔和奥地利物理学家泡利相继提出了原子结构模型。从而使人们认识到电子存在于原子中，一切电磁现象都起源于电子，电磁波是电子振动的产物。

二、电子不能吸收光子

如图所示，如果假设电子能够吸收光子，那么就会导致矛盾。

在质心坐标系中，设吸收前，光子的动量为h/ λ ，电子的动量为 mv ，并假设它们的总动量为零。

即

如果电子可以吸收光子，那么，在这个假设条件下，根据动量守恒定律，吸收光子后的电子后的自由电子应该是静止的。

由于m。≠0，所以v′=0

但是，如果计算碰撞后体系的总能量，有

这就导致 ，这违反相对论，相对论的结论是物体的运动争论大于静止质量。但是，在这里却出现了电子的静止质量大于了电子的运动质量的结果，所以， 电子可以吸收光子的 假设就是错误的。

但是，我们知道，原子能够吸收光子。这主要是原子有内部结构的缘故。上面，我们已经假定了电子没有内部结构，所以， 电子就不能吸收光子了。

但是根据笔者的《中微子——反中微子超旋统一场论》电子和光子都能够吸收和发射中微子或反中微子，为了不违背相对论，我们只能假设电子与光子的内部存在内部结构，否则就存在逻辑矛盾！

三、正负电子湮灭不能只产生一个 光子

正负电子湮灭时产生光子，即

其中n表示光子数目，但是n≠1

如果正负电子湮灭前总动量为零，根据动量守恒定律，正负电子湮灭后不可能只产生一个 光子，因为一个光子的动量 hυ /c≠0，违背动量守恒定律，所以必有 n≥2。

如果 n=2，并且 正负电子湮灭前总动量为零，那么，正负电子湮灭后产生出的两个 光子总动量也一定为零。由此可知，正负电子湮灭前能量相等，而正负电子湮灭后产生出的两个 光子的能量也应该相等。光子的能量大于或等于一个电子的静能量，即0.511兆电子伏特，如果发现宇宙射线中有能量为 0.511 兆电子伏特光子，反过来可以判断为 正负电子湮灭事件所产生的结果。

1979 年3月5日 ，7颗人造地球卫星同时接收到来自大麦哲伦星云的超新星遗迹中的中子星发射的 射线爆，持续时间为0.12秒， 射线能量为0.511兆电子伏特，根据探测器记录的光子流量（ ~光子数/ 平方厘米· 秒）和射线爆辐射各向同性的特点，计算出这次 射线爆释放出的总能量为焦尔，相当于太阳在4000年里释放出的总能量。这是人们探测到的最强一次 射线爆。据推测这可能是中子星上的正负电子形成的等离子体湮灭事迹所产生。

四、原子核中没有电子

如果设想电子是一个半径为 的小球，由于电子的静电能正比于它的静能，即

所以，电子的经典半径为

说它是电子的经典半径，是因为式子中没有出现普朗克常数 h的缘故。

人们曾经认为原子核是由质子和电子组成的，但是，这是错误的。因为电子是不能“装进” 原子核内。

根据海森堡不确定原理

有

电子的康普顿波长

如果要把电子限制在 的区域中，那么

电子的能量

在这样高的能量下，可以出现正负电子的产生与湮灭事件，所以，讨论一个单电子的存在位置及几率分布就完全没有意义了。

而原子核的半径

所以，把电子“装进”原子核内显然是不可能的，因为单个的电子在原子核内根本不存在。

但是，如果用同样方法计算把核子（质子、中子）“装进” 原子核内，那是完全可以的。因为按照核子（质子、中子）的静能量计算，核子的不确定范围为 0.18fm，比 原子核的半径 小，所以说原子核是由质子和中子组成的说法是正确的。

既然原子核没有单独的电子存在，而强子如质子、中子比原子核更小，所以说强子内也自然不存在单个的电子。

一、 电子既是粒子也是波

英国物理学家保罗 ·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac， 1902～1984 ）

自由电子既是粒子也是波。自由电子的能量和动量的关系为

在量子力学中，作如下替换：

得

这是自由粒子的波动方程。如果在势场中，经典粒子的能量关系为

作替换得

这就是薛定谔方程，它揭示了微观世界中物质运动的基本规律。

在相对论量子力学中，自由电子的狄拉克方程为

其中，哈密顿算符为

六、电子的自旋

电子具有自旋，因为带有电荷，所以有自旋磁矩，这就是说自由电子象一块小小的永久磁铁。很多实验都证明了这一点。以斯特恩（ Stern）— 革拉赫(Gerlach) 实验为例。

由于 S态的氢原子轨道角动量为零，没有轨道磁矩。假设电子没有自旋，那么 S态的氢原子就没有磁场，那么 S态的氢原子在通过不均匀外磁场时，就应该以直线方式通过不均匀外界磁场。

但是，在实验中，当 S态的氢原子束由图中的 K射出， 经过两重狭缝BB后，穿过不均匀外界磁场落在照相底片 PP上，结果不是一条细线，而是发生了偏转，分离的两条细线。

为了解释这一现象， 1925年，乌伦贝克 (Uhlenbeck)和哥德斯密脱(Goudsmit) 提出：每个电子具有自旋角动量S，它在空间任何方向上的投影只能取两个数值：

每个电子具有自旋磁矩

电子的自旋磁矩 Ms在空间任意方向的投影只能取两个数值：

是玻尔磁子。

乌伦贝克对提出电子自旋概念的自述中说：

“哥德斯密脱和我的电子自旋想法，最初是从读泡利关于不相容原理的论文（ 1924）引起的。泡利提出电子应该有四个量子数，但他没有给出第四个量子数的具体模型，这使我感到很神秘。 ‘每个量子数对应着一个自由度（一个独立的坐标） ’而 ‘电子是一个点电荷，只能有三个自由度 ’的思想在我们的头脑中是很根深蒂固的，因为我们想不出为什么电子会有第四个量子数。只有假定电子是一个能够旋转的小球，我们才能理解这第四个量子数。” ······ “但是如果我们把电子真正看成一个旋转着的带电小球，也会出现很严重的困难。因为电子的磁能很大，按照质能关系推算出电子的质量比质子还要大；或者我们坚持电子的质量就是它自己的质量，那就会算出电子的体积超过整个原子的体积。这些推算结果显然都是不能接受的。”

比如把电子设想为电荷均匀分布的带电小球，前面我们已经知道电子的经典半径为

根据不确定原理有

其中 是精细结构常数，没有量纲。

所以，必然得出电子的运动速度 V≈ 137C，远远超过光速，这明显违反相对论，这种设想自然就是不正确的。由此可见，电子的自旋不存在经典对应关系，它是电子本身的内禀属性。

在相对论量子力学中，电子的自旋是狄拉克方程的自然结果。

七、电子的反粒子——正电子

1928 年，狄拉克在建立相对论量子力学时发现，满足相对论协变性要求的波动方程存在相应的负能解。如果承认这个解的存在，那么必然导致所有电子从正能态到负能态的跃迁，电子不断加速，直到光速，但这是完全不可能的。

为了克服这一困难，他认为真空是充满了负能电子，根据泡利不相容原理，这样可以阻止电子从正能态向负能态的跃迁。但是相反的事件是如果一个电子从填满电子的负能态（真空态）中跃迁到正能态，那么必然在负能态（真空态）中留下一个空穴，这个表现为带正电，质量和电子一样，这就是正电子。

狄拉克假设这个负能态（真空态）中的空穴是质子。但是， 1932年8 月2 日，加利福尼亚的卡尔· 安德森观察到垂直向上的宇宙射线在进入磁场强度为1500 高斯的威尔逊云室穿过铅板时在照相底片留上留下的径迹。

根据它的电荷和质量被确定为正电子。反过来，正负电子也可以湮灭为光子或其它粒子。现在人们认为，真空既没有粒子也没有反粒子，而真空的电荷为零。电子和正电子绝对对称，它们都具有正能量并满足相对论能量和动量关系式。

正电子是人们发现的第一个反粒子，现在人们已经发现了所有基本粒子都有它的反粒子。

围绕电子的研究还在继续，将来我们将对电子有更多的认识。