电子

电子（英文名：Electron）是一种带负电荷的粒子，同时它和中子以及质子也是构成原子的三种基本亚原子粒子。电子是第一代轻子，轻子是构成物质的基本粒子之一，以重力、电磁力和弱核力与其它粒子相互作用。电子带有1/2自旋，是一种费米子，根据泡利不相容原理，任何两个电子都不能处于同样的量子态。电子的反粒子是正电子，其质量、自旋、带电量大小都与电子相同，但是电量正负性与电子相反。当电子和正电子碰撞时，它们会被破坏并产生一对（或更多）伽马射线光子。

电子Electron源自拉丁语琥珀ēlectrum（也是同名合金的词根），它来自希腊语中的琥珀（古希腊语：ήλεκτρον）。1600年，英国科学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert）在他的论文《磁铁》（De Magnete）中创造了新拉丁语术语electrica，指的是那些具有与琥珀相似的性质，在摩擦后会吸引小物体的物质。1640年代，由医生托马斯·布朗（Dr Thomas Browne）首次在英语中使用Electron。

很早以前，古希腊人就已经知道，琥珀（古希腊语：ήλεκτρον）拥有一种奇特的性质：被摩擦之后的琥珀可以吸引轻小物体。2500年前，古希腊哲学家泰勒斯曾见证到琥珀的这种奇特的性质。正负电的假想与发现十八世纪，查尔斯·笃费（Charles Du Fay）发现，假若被丝绸摩擦后的玻璃对于带电的金箔呈现出排斥的现象，则被羊毛摩擦后的琥珀会对这带电的金箔呈现出吸引的现象。他从这结果与很多其它类似结果推断，大自然有两种不同的“电”，他称由丝绸摩擦玻璃生成的电为玻璃电，由羊毛摩擦琥珀生成的电为树脂电。1747年，美国学者本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）做电实验发现，当摩擦玻璃时，作为被摩擦者的玻璃会获得一些电，而摩擦者则会失去一些电，在摩擦的过程中，并不会生成任何电，只会从摩擦者转移一些电到玻璃，整个孤立系统的总电量不会改变。为了解释类似这般的电现象，他想出一种单流体理论，其表明，电现象是源自于一种既看不见又无重量的流体所产生的作用，这种电流体弥漫于物体里，富兰克林认为，电流体是由极奇奥妙的粒子所组成，这些粒子彼此之间相互排斥，但会被其它物质强烈吸引，因此，物质能像海绵一般地吸引与储存电流体。同时期，英国学者威廉·沃森（William Watson）也独立给出类似的单流体理论。1808年，英国人道尔顿（Dalton）提出了近代意义上的“原子论”，即化学中各元素的最小单位，如氢原子、氧原子、碳原子等。他以为，这就是组成物质的最小粒子了。1815年，威廉-普鲁特（William Prout）提出了元素的原子量是氢原子量的整数倍（普劳特假说）的观点。1871年，德国物理学者威廉·韦伯（Wilhelm Weber）建议，原子是由一个带正电的亚原子粒子与一个带负电的核心物质所组成．质量非常微小的亚原子粒子环绕着质量非常大的核心物质不停地转动，两个物体的带电量相同。1881年，德国物理学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）强调，从法拉第电解定律的结果可以总结，不论是正电或是负电，它们的电量都可被分割至基本电量，其物理行为如同带电基础粒子一般。1891年，爱尔兰物理学者乔治·斯桐尼（George Stoney）提议，将这基本电量命名为“electron ”（电子）。发现阴极射线1895年11月8日，伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）发现一种新的未知射线，并将其命名为X射线。1897年，英国物理学家J.J.汤姆森（J.J. Thomson）在研究阴极射线时发现了这个电子。他发现的电子，他最初称之为微粒，在彻底改变原子结构知识方面发挥了关键作用。19世纪末，随着X射线、放射性、电子三大发现，经典物理在解释黑体辐射、光电效应和原子的稳定性等现象时陷入了困境。原子理论阶段1913年，玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，在轨道上运动时候电子既不吸收能量，也不放出能量。原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有成功介绍了解释了氢光谱实验，对于进一步解释实验现象还有许多困难。1913年，尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）假设电子处于量子化的能量状态，其能量由电子轨道的自旋（角动量）决定，并且电子可以通过光子的发射或吸收在这些轨道之间移动。这些轨道解释了氢原子的谱线。玻尔模型未能解释光谱线的相对强度，也无法成功解释更复杂原子的光谱。玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，在轨道上运动时候电子既不吸收能量，也不放出能量。原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有成功介绍了解释了氢光谱实验，对于进一步解释实验现象还有许多困难。

电子与原子和原子核

1914年，Bohr（玻尔）提出了氢原子是由一个电子环绕一个质子的模型，就好像行星绕太阳运动，拥有一个轨道一样，电子因相反电荷作用而被束缚在了一个轨道上。利用早期的量子理论，玻尔的模型可以解释氢原子光谱，且实验与理论符合很好。1916年，爱因斯研究了自发辐射，解决这个问题需要发展电磁场（即光）的相对论量子理论。引发提出量子场论的问题是电子从激发态跃迁到基态时原子怎样辐射光。量子力学是解释物质的理论，而量子场论是研究场的理论，不仅是电磁场，还有后来发现的其他场。同年，吉尔伯特·刘易斯（Gilbert Lewis）提出，两个原子之间的“共价键”由一对共享电子维持。1919年，欧文·朗缪尔（Irving Langmuir）改进了刘易斯的静态模型，并提出所有电子都分布在连续的“同心（近）球壳中，所有壳层的厚度都相等”。壳层被分成许多含有一对电子的细胞。该模型能够定性地解释元素周期表中所有元素的化学性质。量子力学1923年，法国物理学家德布罗意受光子波粒二象性的启发，认为以前对光的认识侧重于光的波性，忽略了粒子性；而对像电子这样的微观实体则过分强调实体的粒子性，却忽略了其可能具有的波动性。为此，德布罗意提出微观的实体粒子也具有波粒二象性的假说，他认为，正如光具有波粒二象性一样，实体的微粒（如电子、原子等）也具有这种性质，即既具有粒子性也具有波动性，这一假设不久为戴维孙和革末的电子衍射实验所证实。同年，美国物理学家康普顿（A.H.Compton）研究了X射线经质散射的实验。实验发现，在散射的X射线中，除了有与原射线相同波长的成分外，还有波长较长的成分。1925年，德国物理学家海森堡发表论文《关于运动学和力学关系的量子论的重新解释》，海森堡对玻尔的原子结构和光谱理论作了深入透彻的研究；另一方面，海森堡通过爱因斯坦的早期工作，间接受到马赫思想的影响，他提出的矩阵方法完全抛弃了玻尔理论中的电子轨道、运行周期这种古典的但却是不可观测的概念，代之以可观察量如辐射频率和强度。

从1925年到1928年间，其他物理学家各自提出了关于电子等微观粒子的其他理论，进一步扩充了量子力学的理论发展。例如，泡利提出了不相容原理，为化学元素周期表奠定了理论基础；狄拉克（Paul Dirac）提出了相对论性的转动方程来描述电子，解释了电子的自旋并且预测了反物质，此外还提出了电磁场的量子描述，建立了量子场论的基础；玻尔提出互补原理，试图解释量子理论中一些明显的矛盾，尤其是波粒二象性。以上近代物理学家薛定谔、海森伯、玻恩、狄拉克建立起描述微观粒子运动的量子理论，量子理论和相对论一起，是20世纪初的重大理论成果，也是是近代物理学的理论基石。1947年，威利斯-兰姆（Willis Lamb）与研究生罗伯特-雷特福德（Robert Retherford）合作，发现氢原子的某些量子态本应具有相同的能量，但却发生了相互偏移；这种差异后来被称为兰姆偏移。同一时期，波利卡普·库施（Polykarp Kusch）与亨利·福立（Henry M. Foley）合作，发现电子的磁矩比狄拉克理论预测的略大。这种微小的差异后来被称为电子的反常磁偶极矩。这一差异后来由朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）、朱利安·施温格（Julian Schwinger）和理察·费曼（Richard Feynman）在20世纪40年代末提出的量子电动力学理论解释。粒子加速器相关随着二十世纪上半叶粒子加速器的发展，物理学家开始更深入地研究亚原子粒子的性质。1961年，物理学家罗伯特·霍夫斯塔特 (Robert Hofstadter)，因通过电子弹性散射实验对核子的大小及结构的测量被授予当年的诺贝尔物理学奖。

劳伦斯与他的回旋加速器

1967年，斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）。在早期的实验中，研究人员用电子轰击质子，然后观察到它们像台球一样跳弹开来。而当SLAC提高能量，更猛烈地发射电子，研究人员发现它们的反弹方式不同。电子撞击质子的强度足以打碎后者——这个过程称为深度非弹性散射（Deep Inelastic Scattering，DIS）——并从质子的类点碎片，即夸克反弹回来，这是夸克存在的第一个证据。第一台高能粒子对撞机ADONE的束流能量为1.5 GeV，这台设备将电子和正电子向相反的方向加速，与电子撞击静态目标相比，其碰撞能量实际上增加了一倍。欧洲核子研究中心（CERN）的大型电子-正电子对撞机（LEP）从1989年运行到2000年，为粒子物理学标准模型提供了重要的测量数据。

布鲁克海文国家实验室的粒子加速器

1992年，在德国汉堡运行的强子—电子环形加速器（Hadron-Electron Ring Accelerator，HERA）用电子轰击质子的强度大约是SLAC的千倍。在HERA实验中，物理学家可以选择从极低动量夸克反弹的电子，甚至是仅携带质子总动量0.005%的电子。而他们确实发现了极低动量电子：HERA的电子从低动量夸克及其反物质对应——反夸克的漩涡中反弹回来。

电子的质量大约为9.109 × 10kg，质子质量大约为电子质量的1836倍。电子所带有的电量是基本电荷的电量为-1.602 × 10库仑。电子的自旋量子数为 1/2。电子的内在磁矩大约为−1.001159μ_B。经典电子半径是2.82 × 10m。兰姆位移研究揭露，电子的电荷是大致分布于半径为电子电子康普顿半径的圆球形区域，电子康普顿半径的数值为3.86 × 10m。除去电子的位置（或动量）和自旋3-分量。对于其他已知的基本粒子一一光子、夸克等也是如此。

和

的粒子分别称为玻色子和费米子。同时，狭义相对论中最重要的推论之一就是所有自旋为奇整数一半的粒子是费米子，所有自旋为整数的粒子是玻色子。所以，具有自旋 1/2 的电子和夸克是费米子。

电子磁场示意图

电导率是表示物质传输电流的强弱能力的一种测量值。当施加电压于导体的两端时，电子会从低电势处朝着高电势处移动，因而产生电流。依照惯例，对于导体，电流的方向与电子移动的方向恰巧相反。铜和金都是优良导体；而玻璃和橡胶则都是不良导体。德鲁德模型可以成功地推导出欧姆定律、电传导与热传导彼此之间的关系，但按照这模型，热传导与电子热容量有关，而实验中并没有观测到这种关系。这主要是因为经典麦克斯韦-玻尔兹曼分布无法描述电子的概率分布。

电子放电概念图

超导现象指的是，在低温状况下，物质失去电阻的现象。1950年，赫伯特·弗勒利希（Heike Kamerlingh Onnes）建议，超导机制涉及到电子与物体晶格震动的耦合。约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（Leon Neil Cooper）与约翰·施里弗（John Robert Schrieffer）合作创建了BCS理论，其能够完全解释常规超导现象。BCS理论表明，电子与晶格之间的相互作用导致形成称为库珀对的成对的电子，库珀对能够丝毫没有阻碍地移动于物体内部。物体可以被视为正离子的晶格沉浸在电子云里，当电子通过晶格时，负电子会吸引正离子，使得正离子微小地移动，这动作促成一个正价区域，其会吸引另外一个电子，形成了库珀对。由于库珀对的结合能很弱，库珀对很容易被热能拆散，因此超导现象通常只会出现在极端的低温环境中。

从左到右依次为约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（Leon Neil Cooper）与约翰·施里弗（John Robert Schrieffer）

量子特性在现代物理学中，一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子，诸如原子、分子、电子、光子等微粒都可以被称为“量子”，整个世界就是由大量的量子组成的。在量子电动力学中，带电荷的电子与一个光子相互作用，前者能够传递能量给后者，却不能传递电荷给后者。关于贝塔衰变的类似的量子场论几乎是对后面这种情况可能的最简单的概括：同样允许电荷的传递。这产生出来的理论就叫作量子味动力学（QFD）。量子味动力学主要研究的对象则为中微子，而中微子是由电子吸收一个带电的光子——W玻色子（W）转变而来。在量子味动力学当中，贝塔放射性出现于这种情况，当一个中子通过释放出一个W转化为一个质子，而W又转化到一个电子和一个中微子之中这种按照能量和质量的等式（表达为爱因斯坦著名的等式E=mc）实现的能量的转化，是量子场论的一个关键特征。虚粒子物理学者认为，空间会继续不停地生成一对一对的虚粒子，例如，正负电子虚对，而在生存短暂的一段时间后，这些成对的虚粒子会相互湮灭。在这过程里，假若要侦测生成的虚粒子，生成虚粒子所需要的能量涨落

，虚粒子能够被侦测所需要的存在时间

，必须满足海森堡不确定原理所设定的侦测底限：

；其中，h是约化普朗克常数。实际而言，生成这些虚粒子所需要的能量

，可以从真空暂时借用一段时间

，只要它们的乘积小于约化普朗克常数

就行。这种现象理论上不会被仪器侦测出来，也不会违反海森堡不确定原理。根据推导，对于虚电子，

最多是1.3 × 10秒。原子与分子原子是由原子核与电子组成，由于库仑力的作用，原子内部的电子被原子核吸引与束缚。假若，束缚电子的数目不等于原子核的质子数目，则称此原子为离子。在原子内部，原子轨域描述束缚电子的物理行为。每一个原子轨域都有自己独特的一组量子数，像主量子数、角量子数和磁量子数。原子轨域的主量子数设定能级，角量子数给出轨角动量，而磁量子数则是轨角动量对于某特定轴的量子化投影。根据泡利不相容原理，每一个原子轨域只能容纳两个电子，而这两个电子的自旋波函数为反对称，一个自旋向上，另一个自旋向下。

原子内部关系示意图

处于一个原子轨域的电子，经过发射或吸收光子的过程，可以跃迁至另外一个原子轨域。发射或吸收的光子的所涉及的能量必须等于轨域能级的差值。如果束缚电子获得的能量大于其束缚能的能量，则束缚电子可以逃离原子，成为自由电子。例如，在光电效应里，一个能量大于原子电离能的入射光子，被电子吸收，使得电子有足够的能量逃离原子。几种常见的化学键为离子键、共价键和金属键。在离子化合物里，正离子和负离子会通过静电作用形成离子键。在共价化合物里，原子与原子之间通过共用电子形成共价键。在金属里，自由电子与排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力形成金属键。相互作用电子是带负电粒子，其所产生的电场，会吸引像质子一类的带正电粒子，也会排斥像电子一类的带负电粒子，这些现象所涉及的作用力遵守库仑定律。大量电子在空间中的移动会形成电流，安培定律描述电流与磁场彼此之间的关系。法拉第感应定律描述时变磁场怎样感应出电场。电磁感应是发电机的运作原理。

电子围绕原子旋转示意图

康普顿效应是继光电效应之后又一光子与电子相互作用的实验实例，是指在散射的X射线中，除了有与原射线相同波长的成分外，还有波长较长的成分，这种有波长改变的散射，因此也称为康普顿散射。由实验结果可以发现，散射线中除有原波长

的射线外，还出现了波长增大了的射线

>

。按照经典电磁理论，作为电磁波的X射线照射到散射物质上时，将引起物质内部的带电粒子受迫振动，带电粒子的受迫振动频率等于入射光频率，振动的带电粒子将向四周辐射与振动频率相同的电磁波，因此散射光的频率应等于入射光的频率，不可能观察到与入射光频率不同的散射光波。光子理论认为，频率为

（波长为

）的X射线可看成由一些能量为

的光子组成，当X射线的光子与自由电子或束继较弱的外层电子发生碰撞时，光子将一部分能量传递给电子，所以碰撞后散射光子的能量

较入射光子能量小，因而散射光的频率

较入射光子能量小，因而散射光的频率

要小，即散射光的波长

较入射光波长

增大，这就定性解释了散射光中出现波长增大了的射线的原因。当电子与正电子相互碰撞时，它们会互相湮灭对方，同时生成两个以上，偶数的伽马射线光子，以180°相对角度发射出去。假若，可以忽略电子和正电子的动量，则这碰撞可能会先形成电子偶素原子，然后再湮灭成为两个0.511 MeV伽马射线光子。反过来看，高能量光子可以转变为一个电子和一个正电子，这程序称为成对产生。但是，由于违背了动量守恒定律，单独光子不可能会发生成对产生。只有在像原子核等等的带电粒子附近，由于库仑作用，能量大于1.022 MeV的光子才有可能发生成对产生。

弱相互作用反应：β衰变

在粒子物理的标准模型中，光子、W玻色子、Z玻色子和胶子等四种自旋为1的规范玻色子是传递相互作用的基本粒子。弱相互作用有两种，载荷流相互作用（charged-current interaction）与中性流相互作用。载荷流相互作用的媒介是带电性的W玻色子。通过发射W−玻色子或吸收W+玻色子，电子可转变为电中微子；逆反过来，通过发射W+玻色子或吸收W-玻色子，电中微子也可转变为电子。相对论性电子的性质电子的动能

，其中洛伦兹因子

以方程定义为

，

电子的静质量，c为光速。根据爱因斯坦的狭义相对论，相对于观测者的参考系，电子的移动速度越快，电子的相对论性质量（总能量）也越大，因而使得电子继续加速所需要的能量越来越大，在接近光速时，趋向于无穷大。因此电子的移动速度可以接近光波在真空的传播速度，但绝不会达到光速。

根据粒子物理学的标准模型，电子是基本粒子，凡是自旋为半奇数的基本粒子都是费米子，电子是费米子，因为电子的自旋是 1/2，费米子又分为轻子与重子两种，它们的主要不同之处是轻子不涉及强相互作用，因此，电子是轻子。在所有带电的轻子中，电子的质量最小，属于第一代基本粒子。μ子和τ子分别为第二代和第三代的带电轻子。它们的带电量、自旋和所涉及到的基本相互作用都与电子相同。

标准模型示意图

辐射能量观测靠着侦测电子的辐射能量，天文学家可以远距离地观测到电子的各种现象。例如，在像恒星日冕一类的高能量环境里，自由电子会形成一种借着制动辐射来辐射能量的等离子体。电子气体的等离子体振荡是一种波动，是由电子密度的快速震荡所产生的波动。这种波动会造成能量的发射，天文学家可以使用无线电望远镜来侦测这能量。潘宁离子阱潘宁离子阱是囚禁、冷却带电粒子，进而开展精密物理测量的理想实验装置。历史上，基于潘宁阱的实验研究两次获得诺贝尔物理学奖（1989，2012），也证明了潘宁阱在单粒子调控与精密测量领域的重要地位。基于潘宁阱实验设备发展的基本粒子包括电子、质子、中子以及其他原子的质量测量，电子与核子的自旋磁矩测量以及高电荷态离子的能级结构测量，进而测定基本物理参数（如精细结构常数）、检验物理定律（如相对论、QED理论等）。

现代宇宙学理论认为，我们所处的宇宙起源于大爆炸。在这一时期，宇宙中充斥着大量的电离辐射光子，普通物质则处于等离子体状态。随着宇宙膨胀，物质和辐射的温度不断降低。在宇宙年龄大约38万年时，离子体中的氢原子核与自由电子复合(recombination)为中性气体，而这也导致气体变得透明，光子开始自由传播，经过不断红移最终成为今天我们观测到的宇宙微波背景辐射(CMB)。同时，电子和正电子对也在大规模地相互湮灭对方，并且发射高能量光子。在这短暂的宇宙演化阶段，电子，正电子和光子努力地维持着微妙的平衡。但是，因为宇宙正在快速地膨胀中，温度持续转凉，在10秒钟时候，温度已降到30亿K，低于电子-正电子生成过程的温度底限100亿K。因此，光子不再具有足够的能量来生成电子和正电子对，大规模的电子与正电子生成事件不再发生，但电子和正电子相互湮灭对方，发射高能量光子。

宇宙膨胀概念图

由于某些尚未确定的因素，在轻子生成过程中，生成的电子多于正电子。不只这样，由于一种称为重子不对称性的状况，质子的数目也多过反质子，大约每1亿个粒子对与光子中，就会有一个额外的质子。最终电子存留的数目跟质子多过反质子的数目正好相等，宇宙净电荷量为零，呈电中性。如果温度高于10亿K，任何质子和中子结合而形成的重氢，会立刻被高能量光子光解。在大爆炸后100秒钟，温度已经低于10亿K，质子和中子结合而成的重氢，不再会被高能量光子光解，存留的质子和中子开始反应，形成各种氢的同位素和氦的同位素，和微量的锂和铍。在大约1000秒钟时，温度降到低于4亿K。核子与核子之间，不再能靠着高速度随机碰撞的机制，克服库仑障壁，互相接近，产生核聚变。此时太初核合成阶段结束。在此后的一段时间，电子的能量仍旧太高，无法与原子核结合。在这时期之后，随着宇宙逐渐地降温，原子核开始束缚电子，形成中性的原子。这过程称为复合。在这相当快的复合过程时期之后，大多数的原子都成为中性，光子不再会很容易地与物质相互作用。光子也可以自由地移动于透明的宇宙。在万有引力作用下，暗物质首先塌缩形成暗物质晕。随着越来越大的暗物质晕形成，它们产生的引力开始能够汇聚普通物质组成的气体，而这些气体进一步辐射冷却后可以形成恒星。当暗晕质量增加到10—10太阳质量时，依靠氢分子或氢原子的辐射冷却，晕中开始形成第一代恒星。这些恒星发出的光可以电离周围的气体，在恒星内部核反应中形成的重元素也可能在第一代恒星演化末期的超新星爆发中被散入宇宙，从而促使新的恒星形成，直到最后整个宇宙被再电离。

任何由原子构成的物质的化学特性，均是由其原子和分子的电子结构所决定的。通过解析，可以计算出该原子或分子的电子结构，常采用一种原子轨道模型简化计算。在模型中分子的电子的多粒子状态通过将每个原子的电子单粒子状态加到一起形成。尽管模型有许多近似，但其仍可近似地、准确地描写原子的能级。此外此模型还可给出电子排布以及轨道的图像描述。通过原子轨道，可使用简单的原则来区分电子排布。

电子绕原子核旋转

电子束焊接是应用于焊接领域的电子束科技。这种焊接技术能够将高达10瓦特／厘米能量密度的热能，聚焦于直径为0.3–1.3毫米的微小区域。使用这技术，技工可以焊接更深厚的物件。为了避免物质被氧化的可能性，电子束焊接必须在真空内进行。不适合使用普通方法焊接的传导性物质，可以考虑使用电子束焊接。在核子工程和航天工程里，有些高价值焊接工件不能接受任何瑕疵[cī]。这时候，工程师时常会选择使用电子束焊接来达成任务。

低能电子衍射技术（LEED）照射准直电子束（collimated electron beam）于晶体物质，然后根据观测到的衍射图样，来推断物质结构。这技术所使用的电子能量通常在20–200eV之间。反射高能电子衍射（RHEED）技术以低角度照射准直电子束于晶体物质，然后搜集反射图样的数据，从而推断晶体表面的资料。这技术所使用的电子的能量在8–20keV之间，入射角度为1–4度。电子显微镜将聚焦的电子束入射于样本。由于电子束与样本的相互作用，电子的性质，像移动方向、相对相位和能量，都会有所改变。细心地分析这些实验搜集到的数据，即可得到分辨率为原子尺寸的影像。

电子显微镜

电子显微镜主要分为两种类式：穿透式和扫描式。穿透式电子显微镜的操作原理类似高架式投影机，将电子束对准于样品切片发射，穿透过的电子再用透镜投影于底片或电荷耦合元件。扫描电子显微镜用聚焦的电子束扫描过样品，就好像在显示器内一般。这两种电子显微镜的放大率可从100倍到1000000倍，甚至更高。应用量子隧穿效应，扫描隧道显微镜将电子从尖锐的金属针尖隧穿至样品表面。为了要维持稳定的电流，针尖会随着样品表面的高低而移动，这样，即可得到分辨率为原子尺寸的样本表面影像。

阴极射线管的核心概念为，洛伦兹力定律的应用于电子束。阴极射线管广泛的使用于实验式仪器显示器，电脑显示器和电视。在光电倍增管内，每一个击中光阴极的光子会因为光电效应引起一堆电子被发射出来，造成可侦测的电流脉波。

电子绕原子核旋转概念图

纳米电子学是研究结构尺寸为纳米级的电子器件和电子设备的一门科学。在纳米空间尺度0.1~100nm上，电子不能被视为简单的粒子，其波动性将明显地显示出来，因此以量子力学为理论基础的纳米电子技术逐渐发展。其中单电子晶体管这一量子器件只是控制单个电子的运动状态，其主要是通过控制电子波动的相位来实现特定功能。因此单电子晶体管比传统的晶体管具有更高的响应速度和更低的功耗。传统的电子器件无论怎样改进，其响应速度最高只能达到10s，功耗最低只能降低到1μW。