電子のソースを表示

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{{Infobox particle
|image_size      = 280px
|型数            =
|構成            = [[素粒子]]<ref name=prl50/>
|統計            = [[フェルミ粒子]]
|グループ        = [[レプトン (素粒子)|レプトン]]
|世代            = 第一世代
|相互作用        = [[弱い相互作用]]、[[電磁相互作用|電磁気力]]、[[重力]] 
|反粒子          = [[陽電子]]{{efn|陽電子は「反電子」と呼ばれることもある。}}
|理論化          = {{ill2|リチャード・レミング|en|Richard Laming}} (1838–1851)<ref name=farrar/><br/>[[ジョージ・ジョンストン・ストーニー|G.ジョンストン・ストーニー]] (1874) など<ref name=arabatzis/><ref name=buchwald1/>
|発見            = [[ジョゼフ・ジョン・トムソン]] (1897)<ref name=thomson/>
|記号            = {{SubatomicParticle|e<!-- Electron-->}}、{{SubatomicParticle|β-<!-- beta- -->}}
|質量            = {{val|9.1093837015|(28)|e=-31|u=[[キログラム|kg]]}}<!--{{physconst|me}}--><br/>{{val|5.48579909065|(16)|e=-4|u=[[統一原子質量単位|Da]]}}<!--{{physconst|me_Da}}--><br/> [{{val|1822.888486209|(53)}}]<sup>−1</sup>&nbsp;Da<!--{{efn|The fractional version's denominator is the inverse of the decimal value (along with its relative standard uncertainty of {{val|2.9|e=-11}}).}}--><!-- 「分数版の電子質量」とは何のことかよく分からない。私の考えでは、英語版の編集者がこの注釈を書いた理由は、「1822.888486209(53)という数値は何かの出典から引用したのではなく、5.485799090441(97)×10^−4という出典付きの数値の逆数を取ることで私が求めたよ」ということを明示するためだ。また標準不確かさの(53)も、相対標準不確かさが元の数値と等しくなるように自分で求めたのだろう。つまり「この数値に出典がついていない理由」を説明するための注釈だ。しかし日本語版では出典が自動的に付与される{{physconst}}テンプレートが使えないので、ほとんどの数値に出典がない状態になっている。したがって現状この注釈の存在意義はない。コメントアウトしておく。--><br/>{{val|0.51099895000|(15)|e=|u=[[電子ボルト#質量との換算|MeV/c<sup>2</sup>]]}}<!-- {{physconst|mec2_MeV|unit=no|after=&nbsp;{{val|ul=MeV/c2}}}} -->
|電荷            = {{val|-1|ul=e}}<br/><!-- −{{physconst|e}} --> −{{val|1.602176634|e=-19|u=[[クーロン|C]]}}
|磁気モーメント  = −{{val|9.2847647043|(28)|e=-24|u=J/T}}<!-- {{physconst|mue}}--><br/>{{val|-1.00115965218128|(18)|u=[[:en:Bohr magneton|''µ''<sub>B</sub>]]}}<ref>{{cite web |url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?muemsmub |title=2018 CODATA Value: electron magnetic moment to Bohr magneton ratio |date=20 May 2019 |work=The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty |publisher=[[:en:National Institute of Standards and Technology|NIST]] |access-date=2022-11-15}}</ref>
|スピン          = {{sfrac| 1 |2}}&nbsp;[[:en:reduced Planck constant|''ħ'']]
|弱アイソスピン  = {{nowrap|[[:en:Chirality (physics)|LH]]: −{{sfrac| 1 |2}}, [[:en:Chirality (physics)|RH]]: 0}}
|弱超電荷        = {{nowrap|[[:en:Chirality (physics)|LH]]: −1, [[:en:Chirality (physics)|RH]]: −2}}
|平均寿命        = > {{val|6.6|e=28|u=years}}<ref name=bx2015>
{{cite journal
 | last1= Agostini |first1=M.
 | display-authors=etal
 | collaboration=[[:en:Borexino|Borexino]] Collaboration
 | year = 2015
 | title = Test of electric charge conservation with Borexino
 | journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
 | volume = 115 | issue = 23 | page = 231802
 | doi = 10.1103/PhysRevLett.115.231802
 | bibcode =  2015PhRvL.115w1802A
 | arxiv = 1509.01223
 | pmid = 26684111
 | s2cid = 206265225
 }}</ref> (stable)
|名前=電子<br /><small>Electron</small>
|画像=Atomic-orbital-clouds spd m0.png
|説明=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。
}}
{{標準模型}}

'''電子'''（でんし、{{Lang-en-short|electron}}、記号: '''{{SubatomicParticle|e<!-- Electron -->}}''' または '''{{SubatomicParticle|β-<!-- beta- -->}}'''）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<ref>
{{cite web
 |last=Coffey |first=Jerry
 |date=2010-09-10
 |title=What is an electron?
 |url=https://www.universetoday.com/73323/what-is-an-electron/
 |access-date=10 September 2010 |url-status=live
 |archive-url=https://web.archive.org/web/20121111231002/http://www.universetoday.com/73323/what-is-an-electron/
 |archive-date=2012-11-11 |df=dmy-all
}}
</ref>。電子は[[レプトン (素粒子)|レプトン]]粒子族の[[世代 (素粒子)|第一世代]]に属し<ref name="curtis74">
{{cite book
 | last = Curtis | first = L.J.
 | year = 2003
 | title = Atomic Structure and Lifetimes: A conceptual approach
 | page = 74
 | publisher = Cambridge University Press
 | isbn = 978-0-521-53635-6
 | url = https://books.google.com/books?id=KmwCsuvxClAC&pg=PA74
 | access-date = 2020-08-25 | url-status = live
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20200316220442/https://books.google.com/books?id=KmwCsuvxClAC&pg=PA74
 | archive-date = 2020-03-16
}}
</ref>、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<ref name="prl50" />。電子の[[不変質量|質量]]は[[陽子]]のおよそ{{Ill2|陽子と電子の質量比|en|Proton-to-electron mass ratio|label=1/1836}}である<ref name="nist_codata_mu" />。電子の[[量子力学]]的な性質には、[[プランク定数|換算プランク定数]] {{mvar|ħ}} の[[半整数]]倍の値の[[角運動量|固有角運動量]]（[[スピン角運動量|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<ref name="curtis74" />。すべての素粒子と同様に、電子は[[粒子と波動の二重性|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[[電子回折|回折]]することもできる。[[電子#量子的性質|電子の波動性]]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、同じエネルギーにおける[[ド・ブロイ波長]]が長いためである。

電子は、[[電気]]、[[磁気]]、[[化学結合]]、[[熱伝導]]など数多くの[[物理学|物理]]現象において重要な役割を担い、また、[[重力波 (相対論)|重力]]、[[ローレンツ力|電磁気力]]、[[弱い相互作用]]にも関与している<ref name="anastopoulos1" />。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[[プラズマ|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、[[電池|バッテリー技術]]、[[エレクトロニクス]]、[[電子ビーム溶接|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]]、[[自由電子レーザー|レーザー]]、{{Ill2|ガスイオン化検出器|en|Gaseous ionization detector}}、[[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[[クーロン力|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<ref name="Pauling" />。

1838年、イギリスの自然哲学者{{Ill2|リチャード・レミング|en|Richard Laming}}は、原子の{{Ill2|化学的性質|en|Chemical property}}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<ref name="arabatzis" />。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<ref name="thomson" />。

電子は、[[恒星内元素合成|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{{Ill2|電荷 (物理学)|en|Charge (physics)|label=電荷}}を持つことを除いて、電子と同じ性質を持つ。{{Ill2|電子陽電子消滅|en|Electron–positron annihilation|label=電子が陽電子と衝突}}すると、両方の粒子が{{Ill2|消滅 (物理学)|en|Annihilation|label=消滅}}して[[ガンマ線]][[光子]]が発生する。

== 歴史 ==
{{See also|{{ill2|電磁気理論の歴史|en|History of electromagnetic theory|label=電磁気学の歴史}}}}

=== 電気力の効果の発見 ===
{{Ill2|古代ギリシャ|en|Ancient Greece#Science and technology|label=古代ギリシャ人|preserve=1}}は、[[琥珀]]（こはく）が毛皮で擦られたときに、小さなものを引き寄せることに気づいた。この現象は、[[雷]]と並んで、人類が[[電気#歴史|電気]]について記録した最も古い体験のひとつである<ref name="DictOrigins" />。イギリスの科学者[[ウィリアム・ギルバート (物理学者)|ウィリアム・ギルバート]]は、1600年の著作『{{lang|la|[[:en:De Magnete|''De Magnete'']]}}（磁石論）』の中で、擦った後に小さなものを引き付ける琥珀に似た性質を持つ物質を指すために、{{Ill2|新ラテン語|en|Neo-Latin|preserve=1}}の「electrica（エレクトリカ）」という言葉を作った<ref name="Benjamin">
{{Citation
 | last=Benjamin
 | first=Park
 | title=A history of electricity (The intellectual rise in electricity) from antiquity to the days of Benjamin Franklin
 | place=New York
 | publisher=J. Wiley
 | year=1898
 | pages=315, 484–5
 | url=https://archive.org/details/cu31924004128686/page/n10
 | isbn=978-1-313-10605-4
}}</ref>。英語の electric や electricity も、ラテン語の {{lang|la|ēlectrum}}（{{Ill2|エレクトラム|en|Electrum|label=同名の合金}}の語源でもある）に由来し、[[古代ギリシア語|ギリシャ語]]で琥珀を意味する {{lang|grc|ἤλεκτρον}} （{{lang|grc-Latn|ēlektron}}）に由来する。

=== 2種類の電荷の発見 ===
1700年代初頭、フランスの化学者[[シャルル・フランソワ・デュ・フェ]]は、帯電した[[金箔]]が絹で擦ったガラスに反発するならば、その金箔は羊毛で擦った琥珀に引き付けられることを発見した。デュ・フェは、この実験と類似の他の実験結果から、電気は2つの{{Ill2|エーテル理論|en|Aether theories|label=電気流体}}、すなわち絹で擦ったガラスのガラス電気（''vitreous'' fluid）と羊毛で擦った琥珀の樹脂電気（''resinous'' fluid）から構成されていると結論づけた。これらの2つの流体は、組み合わさると互いを中和することができる<ref name="Benjamin" /><ref>
{{cite book
 | last = Keithley
 | first = J.F.
 | year = 1999
 | title = The Story of Electrical and Magnetic Measurements: From 500 B.C. to the 1940s
 | url = https://books.google.com/books?id=uwgNAtqSHuQC&pg=PR7
 | publisher = [[:en:IEEE|IEEE Press]]
 | pages = 19–20
 | isbn = 978-0-7803-1193-0
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082420/https://books.google.com/books?id=uwgNAtqSHuQC&pg=PR7
 | url-status = live
}}</ref>。その後、アメリカの科学者 [[:en:Ebenezer Kinnersley|Ebenezer Kinnersley]] も独自に同じ結論に達した<ref name="Cajori1917">{{cite book
 |first=Florian |last=Cajori
 |title=A History of Physics in Its Elementary Branches: Including the Evolution of Physical Laboratories
 |url=https://archive.org/details/historyofphysics00cajo
 |year=1917 |publisher=Macmillan}}</ref>{{rp|118}}。それから10年後、[[ベンジャミン・フランクリン]]は、電気は異なる種類の電気流体ではなく、過剰（+）または不足（−）を示す単一の電気流体であると提案した。フランクリンはこれら2つの電荷をそれぞれ、正（positive）と負（negative）と呼んだ。この命名法は現代まで続いている<ref>{{cite web
 | title = Benjamin Franklin (1706–1790)
 | url = https://scienceworld.wolfram.com/biography/FranklinBenjamin.html
 | work = [[:en:ScienceWorld|Eric Weisstein's World of Biography]]
 | publisher = [[:en:Wolfram Research|Wolfram Research]]
 | access-date = 2010-12-16
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2013-08-27
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20130827114343/http://scienceworld.wolfram.com/biography/FranklinBenjamin.html
 | url-status = live
}}</ref>。フランクリンは[[電荷担体]]を正であると考えていたが、どの状況が電荷担体の過剰で、どの状況が不足であるかを正しく認識していなかった<ref>
{{cite book
 |last1=Myers | first1 = R.L.
 | year = 2006
 | title = The Basics of Physics
 | url = https://archive.org/details/basicsofphysics0000myer/page/242
 |url-access=registration
 | publisher = [[:en:Greenwood Publishing Group|Greenwood Publishing Group]]
 | page=242
 | isbn = 978-0-313-32857-2
}}</ref>。

1838年から1851年にかけて、イギリスの自然哲学者{{Ill2|リチャード・レミング|en|Richard Laming}}は、原子は物質の核を単位[[電荷]]を持つ亜原子粒子が取り囲んで構成しているという考えを発展させた<ref name="farrar">
{{cite journal
 | last = Farrar | first = W.V.
 | year = 1969
 | title = Richard Laming and the Coal-Gas Industry, with His Views on the Structure of Matter
 | journal = [[:en:Annals of Science|Annals of Science]]
 | volume = 25 | pages = 243–254
 | doi =10.1080/00033796900200141
 | issue = 3
}}</ref>。1846年以降、ドイツの物理学者[[ヴィルヘルム・エドゥアルト・ヴェーバー]]は、電気は正と負に帯電した流体で構成され、その相互作用は[[逆二乗則]]に支配されているいう理論を打ち立てた。1874年に[[電気分解]]現象を研究した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、[[原子価|一価]][[イオン (化学)|イオン]]の電荷という「単一の明確な電気量」の存在を示唆した。彼は、[[ファラデーの電気分解の法則]]によって、この[[素電荷]] ''e'' の値を推定することができた<ref>
{{cite journal
 | last = Barrow | first = J.D.
 | year = 1983
 | title = Natural Units Before Planck
 | journal = [[:en:Astronomy & Geophysics|Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society]]
 | volume = 24 | pages = 24–26
 | bibcode = 1983QJRAS..24...24B
}}</ref>。しかし、ストーニーは、これらの電荷は原子に永続的に結びついており、分離することはできないと信じていた。1881年、ドイツの物理学者[[ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ]]は、正の電荷も負の電荷もそれぞれ「電気の原子のようにふるまう」基本的な要素に分割されると主張した<ref name="arabatzis">
{{cite book
 | last = Arabatzis
 | first = T.
 | year = 2006
 | title = Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities
 | url = https://books.google.com/books?id=rZHT-chpLmAC&pg=PA70
 | pages = 70–74, 96
 | publisher = University of Chicago Press
 | isbn = 978-0-226-02421-9
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2021-01-07
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160308/https://books.google.com/books?id=rZHT-chpLmAC&pg=PA70
 | url-status = live
 }}</ref>。

ストーニーは1881年に electrolion（エレクトロリオン）という言葉を作ったが、10年ほど後に素電荷の呼び名を electron（エレクトロン）に切り替えた。1894年には「{{interp|1874年の論文で}} この最も注目すべき電気の基本単位の実際の量が推定され、それ以来、私はあえて electron という名前を提言することにした。」と述べている。1906年には素電荷の名を electrion に変更するという提案があったが、[[ヘンドリック・ローレンツ]]が electron を支持したため失敗に終わった<ref>
{{cite book
 | first=Sōgo
 | last=Okamura
 | title=History of Electron Tubes
 | url=https://books.google.com/books?id=VHFyngmO95YC&pg=PR11
 | access-date=29 May 2015
 | year=1994
 | publisher=IOS Press
 | isbn=978-90-5199-145-1
 | page=11
 | quote=In 1881, Stoney named this electromagnetic 'electrolion'. It came to be called 'electron' from 1891. [...] In 1906, the suggestion to call cathode ray particles 'electrions' was brought up but through the opinion of Lorentz of Holland 'electrons' came to be widely used.
 | archive-date=11 May 2016
 | archive-url=https://web.archive.org/web/20160511214552/https://books.google.com/books?id=VHFyngmO95YC&pg=PR11
 | url-status=live
}}</ref><ref>
{{cite journal
 | last = Stoney
 | first = G.J.
 | year = 1894
 | title = Of the "Electron," or Atom of Electricity
 | journal = [[:en:Philosophical Magazine|Philosophical Magazine]]
 | volume = 38
 | issue = 5
 | pages = 418–420
 | doi = 10.1080/14786449408620653
 | url = https://zenodo.org/record/1431209
 | access-date = 2019-08-25
 | archive-date = 2020-10-31
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20201031080323/https://zenodo.org/record/1431209
 | url-status = live
}}</ref>。この electron という用語は、<u>electr</u>ic（電気を帯びた）と i<u>on</u>（帯電状態の粒子）という単語の組み合わせである<ref>"electron, n.2". OED Online. March 2013. Oxford University Press. Accessed 12 April 2013 [https://www.oed.com/view/Entry/60302?rskey=owKYbt&result=2] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20210427080603/https://www.oed.com/view/Entry/60302?rskey=owKYbt&result=2|date=2021-04-27}}</ref>。今日、陽子（proton）や中性子（neutron）など他の亜原子粒子を表すのに使われている接尾辞 [[wikt:-on|-on]] は、electron からさらに派生したものである<ref>
{{cite book
 | editor-last = Soukhanov | editor-first = A.H.
 | year = 1986
 | title = Word Mysteries & Histories
 | page = 73
 | publisher = Houghton Mifflin
 | isbn = 978-0-395-40265-8
}}</ref><ref>
{{cite book
 | editor-last = Guralnik | editor-first = D.B.
 | year = 1970
 | title = Webster's New World Dictionary
 | publisher = Prentice Hall
 | page = 450
}}</ref>。

=== 物質外の自由電子の発見 ===
[[File:Cyclotron motion wider view.jpg|right|thumb|alt=A round glass vacuum tube with a glowing circular beam inside|磁場によって円形に偏向された電子線<ref>
{{cite book
 | last1 = Born
 | first1 = M.
 | last2 = Blin-Stoyle
 | first2 = R.J.
 | last3 = Radcliffe
 | first3 = J.M.
 | year = 1989
 | title = Atomic Physics
 | url = https://books.google.com/books?id=NmM-KujxMtoC&pg=PA26
 | page = 26
 | publisher = [[:en:Courier Dover|Courier Dover]]
 | isbn = 978-0-486-65984-8
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2021-01-26
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210126003322/https://books.google.com/books?id=NmM-KujxMtoC&pg=PA26
 | url-status = live
}}</ref>]]

1859年、ドイツの物理学者[[ユリウス・プリュッカー]]は、{{Ill2|希薄化|en|Rarefaction|label=希薄気体中}}の{{Ill2|電気抵抗率と電気伝導率|en|Electrical resistivity and conductivity|label=電気伝導率}}を研究していたとき、陰極から放出された放射線が陰極付近の管壁に[[燐光]]を発生させ、磁場の印加によって燐光の領域が移動することを観察した<ref>{{Cite journal|last=Plücker|first=M.|date=1858-12-01|title=XLVI. Observations on the electrical discharge through rarefied gases|url=https://doi.org/10.1080/14786445808642591|journal=The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science|volume=16|issue=109|pages=408–418|doi=10.1080/14786445808642591|issn=1941-5982}}</ref>。1869年、プリュッカーの教え子、[[ヴィルヘルム・ヒットルフ|ヨハン・ヴィルヘルム・ヒットルフ]]は、陰極と燐光の間に固体物を置くと、管の燐光領域に影を落とすことを発見した。ヒットルフは、陰極から直進性を持つ放射線が放出されており、燐光は管壁に当たった放射線によって引き起こされると推測した。1876年、ドイツの物理学者[[オイゲン・ゴルトシュタイン]]は、放射線が陰極表面に対して垂直に放出されることを示し、それによってこの放射線を白熱光と区別した。ゴルトシュタインはこの放射線を[[陰極線]]と名付けた<ref name="leicester" /><ref name="Whittaker">
{{cite book
 |last=Whittaker
 |first=E.T.
 |author-link=E. T. Whittaker
 |title=[[:en:A History of the Theories of Aether and Electricity|A History of the Theories of Aether and Electricity]]
 |volume=1
 |publisher=Nelson |place=London
 |year=1951
}}</ref>{{rp|393}}。[[J.J.トムソン|J. J. トムソン]]による最終的な電子の発見には、陰極線に関する数十年にわたる実験的および理論的研究が重要であった<ref name="arabatzis" />。

1870年代、イギリスの化学者で物理学者でもある[[ウィリアム・クルックス]]は、内部を[[真空|高真空]]にした最初の陰極線管を開発した<ref name="dekosky">
{{cite journal
 | last = DeKosky | first = R.K.
 | year = 1983
 | title = William Crookes and the quest for absolute vacuum in the 1870s
 | journal = [[:en:Annals of Science|Annals of Science]]
 | volume = 40 | issue = 1 | pages = 1–18
 | doi =10.1080/00033798300200101
}}</ref>。1874年には陰極線が進路上に置かれた小さな羽根車を回転させることを示し、それによって陰極線には運動量があると結論づけた。さらに、磁場をかけることで陰極線を偏向させ、それが負に帯電しているかのようにふるまうことを実証した<ref name="leicester">
{{cite book
 | last = Leicester
 | first = H.M.
 | year = 1971
 | title = The Historical Background of Chemistry
 | url = https://books.google.com/books?id=aJZVQnqcwv4C&pg=PA221
 | pages = 221–222
 | publisher = [[:en:Courier Dover|Courier Dover]]
 | isbn = 978-0-486-61053-5
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082418/https://books.google.com/books?id=aJZVQnqcwv4C&pg=PA221
 | url-status = live
}}</ref>。クルックスは1879年に、陰極線が第4番目の[[物質の状態|物質状態]]にある負に帯電した気体[[分子]]から構成されると見なし、粒子の[[平均自由行程]]が衝突を無視できるほど非常に長いと考えることによって、これらの特性を説明できると提案した<ref name="Whittaker" />{{rp|394–395}}。

ドイツ生まれのイギリスの物理学者[[アーサー・シュスター]]は、クルックスの実験を発展させ、陰極線と平行に金属板を置き、板の間に[[電位]]を加えた<ref name="schu1890">{{Cite journal|last=Schuster|first=Arthur|date=1890|title=The discharge of electricity through gases|journal=Proceedings of the Royal Society of London|volume=47|pages=526–559|doi=10.1098/rspl.1889.0111|s2cid=96197979|doi-access=free}}</ref>。陰極線は電場によって正電荷を帯びた板に向かって偏向され、それが負電荷を帯びていることのさらなる証拠となった。1890年、シュスターは、与えられた[[電場]]と[[磁場]]に対する偏向量を測定することによって、陰極線に含まれる要素の[[電荷質量比]]{{efn|古い文献においては、質量対電荷比という現代の慣例ではなく、電荷対質量が記載されている。}}を推定することができた。しかし、その値は予想よりも1000倍以上大きかったため、当時は彼の計算はほとんど信用されなかった<ref name="leicester" />。なぜなら、電荷担体ははるかに重い[[水素]]原子や[[窒素]]原子であると考えられていたからである<ref name="schu1890" />。しかし、シュスターの推定はその後、ほぼ正しいことが判明する。

1892年、[[ヘンドリック・ローレンツ]]は、これらの粒子（すなわち電子）の質量がその電荷に由来する可能性があることを示唆し、質量の起源に関するその後の理論的発展の基礎を築いた<ref>{{cite journal|和書|url=https://www.natureasia.com/ja-jp/ndigest/v9/n7/%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%AC%E3%83%B3%E3%83%84%E3%81%AE%E9%9B%BB%E5%AD%90%E8%AB%96%E3%81%8B%E3%82%89120%E5%B9%B4/36744|accessdate=2024-06-04|title=ローレンツの電子論から120年 |journal= Nature ダイジェスト|volume=9|issue=7|doi= 10.1038/ndigest.2012.120706 |year=2012}}</ref>。
[[File:J.J Thomson.jpg|thumb|upright|[[J. J. トムソン]]]]

1896年、フランスの物理学者[[アンリ・ベクレル]]は、天然の[[蛍光]]鉱物を研究していたとき、それが外部エネルギー源にさらされなくても放射線を発することを発見した。これらの[[放射性崩壊|放射性]]物質は科学者達にとって大きな関心の対象となり、その一人であるニュージーランドの物理学者[[アーネスト・ラザフォード]]はそれらが粒子を放出することを発見した。ラザフォードは物質を透過する能力に基づいて粒子を2種類に分け、それぞれ[[アルファ粒子|アルファ]]および[[ベータ粒子|ベータ]]と命名した<ref>
{{cite journal
 | last = Trenn | first = T.J.
 | year = 1976
 | title = Rutherford on the Alpha-Beta-Gamma Classification of Radioactive Rays
 | journal = [[:en:Isis (journal)|Isis]]
 | volume = 67 | issue = 1 | pages = 61–75
 | jstor = 231134
 | doi = 10.1086/351545
 | s2cid = 145281124
}}</ref>。1900年、ベクレルは、[[ラジウム]]が放出するベータ線が電場によって偏向され、その質量電荷比は陰極線のそれと同じであることを示した<ref>{{cite journal
 | last = Becquerel | first = H.
 | year = 1900
 | title = Déviation du Rayonnement du Radium dans un Champ Électrique
 | journal = [[:en:Comptes rendus de l'Académie des sciences|Comptes rendus de l'Académie des sciences]]
 | volume = 130 | pages = 809–815
|language=fr}}</ref>。この証拠により、電子は原子の構成要素として存在するという見方が強まった<ref name="BaW9091">[[:en:Electron#refBaW2001|Buchwald and Warwick (2001:90–91).]]</ref><ref>
{{cite journal
 | last = Myers
 | first = W.G.
 | year = 1976
 | title = Becquerel's Discovery of Radioactivity in 1896
 | url = https://jnm.snmjournals.org/cgi/content/abstract/17/7/579
 | journal = [[:en:Journal of Nuclear Medicine|Journal of Nuclear Medicine]]
 | volume = 17
 | issue = 7
 | pages = 579–582
 | pmid = 775027
 | access-date = 2022-02-24
 | archive-date = 2008-12-22
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20081222023947/http://jnm.snmjournals.org/cgi/content/abstract/17/7/579
 | url-status = live
}}</ref>。

1897年、イギリスの物理学者[[J.J.トムソン|J. J. トムソン]]は、同僚の[[ジョン・タウンゼント (物理学者)|ジョン・タウンゼント]]や{{Ill2|ハロルド・ウィルソン (物理学者)|en|Harold A. Wilson (physicist)|label=ハロルド・ウィルソン}}とともに、陰極線が実際には固有の粒子であり、以前信じられてきたような波動でも原子でも分子でもないことを示す実験を行った<ref name="thomson" />。トムソンは陰極線粒子（トムソン自身は「corpuscles（微粒子）」と呼んでいた）の電荷 ''e'' と質量 ''m'' の比 ''m''/''e'' を正確に推定し、既知のイオンで最小の ''m''/''e'' を持つ水素イオンのおよそ1/1000であることを発見した<ref name="thomson"/>。またその比が陰極の材質に依存しないことを示した。さらに、放射性物質、加熱された物質、[[光電効果|光を照射された物質]]から放出される負電荷を帯びた粒子が同じものであることを示した<ref name="thomson" /><ref name="thomson1906">
{{cite web
 |last         = Thomson
 |first        = J.J.
 |year         = 1906
 |title        = Nobel Lecture: Carriers of Negative Electricity
 |url          = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1906/thomson-lecture.pdf
 |publisher    = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 |access-date  = 2008-08-25 |df=dmy-all
 |archive-url  = https://web.archive.org/web/20081010100408/https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1906/thomson-lecture.pdf
 |archive-date = 2008-10-10
 |url-status   = dead
}}</ref>。科学界は、[[ジョージ・フィッツジェラルド]]、[[ジョゼフ・ラーモア]]、[[ヘンドリック・ローレンツ]]らの主導によって、これを「電子（electron）」と命名した<ref name="OHara1975">
{{cite journal
 | last =O'Hara
 | first =J. G.
 | title =George Johnstone Stoney, F.R.S., and the Concept of the Electron
 | journal =Notes and Records of the Royal Society of London
 | volume =29
 | issue =2
 | pages =265–276
 | publisher =Royal Society
 | date =March 1975
 | jstor =531468
 | doi =10.1098/rsnr.1975.0018
 | s2cid =145353314
}}</ref>{{rp|273}}。同年、[[エミール・ヴィーヘルト]]と{{Ill2|ウォルター・カウフマン|en|Walter Kaufmann (physicist)|label=ウォルター・カウフマン}}も ''e''/''m'' 比を計算したが、その結果を新たな粒子を示すものとして解釈することはしなかった。その後、J. J. トムソンは1899年に電子の電荷と質量をそれぞれ、e~{{val|6.8|e=-10}} [[スタットクーロン|esu]]、 m~{{val|3|e=-26}} gと推定した<ref>{{Cite journal|last=[[:en:Abraham Pais|Abraham Pais]]|date=1997|title=The discovery of the electron – 100 years of elementary particles|url=https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/pdf/97i.pdf|journal=Beam Line|volume=1|pages=4–16|access-date=2021-09-04|archive-date=2021-09-14|archive-url=https://web.archive.org/web/20210914142755/https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/pdf/97i.pdf|url-status=live}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Kaufmann|first=W.|date=1897|title=Die magnetische Ablenkbarkeit der Kathodenstrahlen und ihre Abhängigkeit vom Entladungspotential|url=https://dx.doi.org/10.1002/andp.18972970709|journal=Annalen der Physik und Chemie|volume=297|issue=7|pages=544–552|doi=10.1002/andp.18972970709|bibcode=1897AnP...297..544K|issn=0003-3804|access-date=2022-02-24|archive-date=2022-02-24|archive-url=https://web.archive.org/web/20220224105619/https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.18972970709|url-status=live}}</ref>。

[[File:Millikan.jpg|thumb|upright|[[ロバート・ミリカン]]]]

電子の電荷は、アメリカの物理学者[[ロバート・ミリカン]]と[[ハーヴェイ・フレッチャー]]が1909年に行った[[ミリカンの油滴実験|油滴実験]]でより精密に測定され、その結果は1911年に発表された。この実験では、帯電した油滴が重力によって落下するのを防ぐために電場が用いられた。この装置は、わずか1個-150個のイオンの電荷を、0.3%未満の誤差で測定することができた。同様の実験は、トムソンのチームが電気分解で生じた帯電した水滴の雲を用いて先行しており<ref name="thomson" />、1911年には[[アブラム・ヨッフェ]]が、帯電した金属微粒子を用いてミリカンと同じ結果を独自に得、1913年に結果を発表している<ref>
{{cite journal
 | last1 = Kikoin | first1 = I.K.
 | last2 = Sominskiĭ | first2 = I.S.
 | year = 1961
 | title = Abram Fedorovich Ioffe (on his eightieth birthday)
 | journal = [[:en:Uspekhi Fizicheskikh Nauk|Soviet Physics Uspekhi]]
 | volume = 3 | pages = 798–809
 | doi = 10.1070/PU1961v003n05ABEH005812
 |bibcode = 1961SvPhU...3..798K
 | issue = 5 }} Original publication in Russian: {{cite journal
 | last1 = Кикоин | first1 = И.К.
 | last2 = Соминский | first2 = М.С.
 | year = 1960
 | title = Академик А.Ф. Иоффе
 | journal = [[:en:Uspekhi Fizicheskikh Nauk|Успехи Физических Наук]]
 | volume = 72 | issue = 10 | pages = 303–321
 | doi = 10.3367/UFNr.0072.196010e.0307
 | doi-access = free
}}</ref>。しかし、水滴よりも油滴の方が蒸発速度が遅いため安定性が高く、長時間におよぶ精密な実験に適していた<ref>
{{cite journal
 | last = Millikan
 | first = R.A.
 | year = 1911
 | title = The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes's Law
 | journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
 | volume = 32
 | issue = 2
 | pages = 349–397
 | doi = 10.1103/PhysRevSeriesI.32.349
 | bibcode = 1911PhRvI..32..349M
 | url = https://authors.library.caltech.edu/6437/1/MILpr11b.pdf
 | access-date = 2019-06-21
 | archive-date = 2020-03-17
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20200317204458/https://authors.library.caltech.edu/6437/1/MILpr11b.pdf
 | url-status = live
}}</ref>。

20世紀の初頭、特定の条件下で高速の荷電粒子が、その進路に沿って[[過飽和]]水蒸気の凝縮を引き起こすことが発見された。1911年、[[チャールズ・トムソン・リーズ・ウィルソン|チャールズ・ウィルソン]]はこの原理を利用して[[霧箱]]を考案し、高速の電子など荷電粒子の軌跡を撮影できるようにした<ref>
{{cite journal
 | last1 = Das Gupta | first1 = N.N.
 | last2 = Ghosh | first2 = S.K.
 | year = 1999
 | title = A Report on the Wilson Cloud Chamber and Its Applications in Physics
 | journal = [[:en:Reviews of Modern Physics|Reviews of Modern Physics]]
 | volume = 18 | pages = 225–290
 | doi = 10.1103/RevModPhys.18.225
 | bibcode=1946RvMP...18..225G
 | issue = 2
}}</ref>。

=== 原子論 ===
[[File:Bohr atom model (mul).svg|right|thumb|alt=Three concentric circles about a nucleus, with an electron moving from the second to the first circle and releasing a photon|数値 ''n'' で[[量子数|量子化]]されたエネルギーを持った電子の状態を示す[[ボーアの原子モデル]]。より低い軌道に落ちた電子は、軌道間のエネルギー差に等しい光子を放出する。]]
1914年までに、物理学者[[アーネスト・ラザフォード]]、[[ヘンリー・モーズリー (物理学者)|ヘンリー・モーズリー]]、[[ジェイムス・フランク]]、[[グスタフ・ヘルツ]]らの実験によって、原子の構造は、正電荷を帯びた高密度の[[原子核]]を低質量の電子が取り囲んだ形であることがほぼ確立された<ref name="smirnov" />。1913年、デンマークの物理学者[[ニールス・ボーア]]は、電子は量子化されたエネルギー状態で存在し、そのエネルギーは原子核の周囲を回る電子の軌道の角運動量によって決まると仮定した。電子は、特定の周波数の光子を放出または吸収することによって、その状態（軌道）の間を移動することができる。ボーアはこれらの量子化された軌道を使って水素原子の[[スペクトル線]]を正確に説明した<ref>
{{cite web
 | last = Bohr
 | first = N.
 | year = 1922
 | title = Nobel Lecture: The Structure of the Atom
 | url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1922/bohr-lecture.pdf
 | publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 | access-date = 2008-12-03
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-12-03
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20081203124237/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1922/bohr-lecture.pdf
 | url-status = live
}}</ref>。しかし、ボーアのモデルはスペクトル線の相対強度を説明することに失敗し、より複雑な原子のスペクトルを説明することもできなかった<ref name="smirnov">
{{cite book
 | last = Smirnov
 | first = B.M.
 | year = 2003
 | title = Physics of Atoms and Ions
 | url = https://books.google.com/books?id=I1O8WYOcUscC&pg=PA14
 | pages = 14–21
 | publisher = [[:en:Springer Science+Business Media|Springer]]
 | isbn = 978-0-387-95550-6
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2020-05-09
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20200509044538/https://books.google.com/books?id=I1O8WYOcUscC&pg=PA14
 | url-status = live
}}</ref>。

原子間の化学結合は、[[ギルバート・ルイス|ギルバート・ニュートン・ルイス]]によって説明された。ルイスは1916年に、2つの原子間の[[共有結合]]は、その間で共有される1対の電子（[[電子対]]と呼ぶ）によって保持されると提案した<ref>
{{cite journal
 | last = Lewis
 | first = G.N.
 | year = 1916
 | title = The Atom and the Molecule
 | journal = [[:en:Journal of the American Chemical Society|Journal of the American Chemical Society]]
 | volume = 38
 | issue = 4
 | pages = 762–786
 | doi = 10.1021/ja02261a002
 | s2cid = 95865413
 | url = https://zenodo.org/record/1429068
 | access-date = 2019-08-25
 | archive-date = 2019-08-25
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20190825132554/https://zenodo.org/record/1429068/files/article.pdf
 | url-status = live
}}</ref>。その後、1927年に[[ヴァルター・ハイトラー]]と[[フリッツ・ロンドン]]は、[[量子力学]]の観点から電子対の形成と化学結合の完全な説明を行った<ref name="Arabatzis">
{{cite journal
 | last1 = Arabatzis | first1 = T.
 | last2 = Gavroglu | first2 = K.
 | year = 1997
 | title = The chemists' electron
 | journal = [[:en:European Journal of Physics|European Journal of Physics]]
 | volume = 18 | pages = 150–163
 | doi = 10.1088/0143-0807/18/3/005
 |bibcode = 1997EJPh...18..150A
 | issue = 3 | s2cid = 56117976
 | url = https://pdfs.semanticscholar.org/3804/783ac9fc011aeae884a3d370a474cbfdd46f.pdf
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20200605041731/https://pdfs.semanticscholar.org/3804/783ac9fc011aeae884a3d370a474cbfdd46f.pdf
 | url-status = dead
 | archive-date = 2020-06-05
}}</ref>。1919年、アメリカの化学者[[アーヴィング・ラングミュア]]は、ルイスの原子の静的モデルを詳しく調べ、すべての電子は連続する「同心球状の（ほぼ）球殻に分布し、その厚さはすべて等しい」ことを示唆した<ref>
{{cite journal
 | last = Langmuir
 | first = I.
 | year = 1919
 | title = The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules
 | journal = [[:en:Journal of the American Chemical Society|Journal of the American Chemical Society]]
 | volume = 41
 | issue = 6
 | pages = 868–934
 | doi = 10.1021/ja02227a002
 | url = https://zenodo.org/record/1429026
 | access-date = 2019-06-21
 | archive-date = 2021-01-26
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210126003324/https://zenodo.org/record/1429026
 | url-status = live
}}</ref>。次に、その殻をいくつかの区画に分割し、それぞれが1対の電子を含むとした。ラングミュアはこのモデルを使用して、[[周期表|周期律]]に従ってほぼ繰り返されることが知られていた周期表の<ref name="Arabatzis" />、全ての元素の{{Ill2|化学的性質|en|Chemical property}}を定性的に説明することができた<ref>
{{cite book
 | last = Scerri | first = E.R.
 | year = 2007
 | title = The Periodic Table
 | url = https://archive.org/details/periodictableits0000scer/page/205
 | url-access = registration | pages=205–226
 | publisher = Oxford University Press
 | isbn = 978-0-19-530573-9
}}</ref>。

1924年、オーストリアの物理学者[[ヴォルフガング・パウリ]]は、一つの量子化されたエネルギー状態には電子が一つしか入れないと仮定するならば、すべてのエネルギー状態が4つの因子の組によって定義されているとすることで、原子の疑似的な殻構造が説明できることを発見した。同一の量子的なエネルギー状態を複数の電子が占めることを禁じるこの原則は、[[パウリの排他原理]]として知られるようになった<ref>
{{cite book
 | last = Massimi
 | first = M.
 | year = 2005
 | title = Pauli's Exclusion Principle, The Origin and Validation of a Scientific Principle
 | url = https://books.google.com/books?id=YS91Gsbd13cC&pg=PA7
 | pages = 7–8
 | publisher = Cambridge University Press
 | isbn = 978-0-521-83911-2
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071142/https://books.google.com/books?id=YS91Gsbd13cC&pg=PA7
 | url-status = live
 }}</ref>。第4の因子（この因子は取りうる値が2通りしかなかった）を説明する物理的メカニズムは、オランダの物理学者[[サミュエル・ゴーズミット]]と[[ジョージ・ウーレンベック]]によって与えられた。1925年、彼らは、電子はその軌道運動の角運動量に加え、固有の角運動量と[[磁気双極子モーメント]]を持っていることを示唆した<ref name="smirnov" /><ref>
{{cite journal
 | last1 = Uhlenbeck | first1 = G.E.
 | last2 = Goudsmith | first2 = S.
 | year = 1925
 | title = Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons
 | journal = [[:en:Naturwissenschaften|Die Naturwissenschaften]]
 | volume = 13 | issue = 47
 | bibcode = 1925NW.....13..953E
 |doi = 10.1007/BF01558878
 | pages = 953–954 | s2cid = 32211960
 |language=de
}}</ref>。これは、地球が太陽の周りを公転しながら自転を行っているのに例えられる。この固有角運動量は[[スピン角運動量|スピン]]と呼ばれるようになり、それまで謎であった、高分解能[[分光器]]で観測されるスペクトル線の分裂を説明することができるようになった。この現象は[[微細構造 (原子物理学)|微細構造分裂]]として知られている<ref>{{cite journal
 | last = Pauli | first = W.
 | year = 1923
 | title = Über die Gesetzmäßigkeiten des anomalen Zeemaneffektes
 | journal = [[:en:European Physical Journal|Zeitschrift für Physik]]
 | volume = 16 | issue = 1 | pages = 155–164
 | bibcode = 1923ZPhy...16..155P
 | doi = 10.1007/BF01327386
 | s2cid = 122256737
 |language=de}}</ref>。

=== 量子力学 ===
{{See also|量子力学の歴史}}
{{further|[[電子#量子的性質|§ 量子的性質]]}}
フランスの物理学者、[[ルイ・ド・ブロイ]]は、1924年の学位論文『''{{lang|fr|Recherches sur la théorie des quanta}}''（量子理論の研究）』の中で、すべての物質は[[光]]のように[[ド・ブロイ波]]として表現できるという仮説を立てた<ref name="de_broglie">
{{cite web
 | last = de Broglie
 | first = L.
 | year = 1929
 | title = Nobel Lecture: The Wave Nature of the Electron
 | url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/broglie-lecture.pdf
 | publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 | access-date = 2008-08-30
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-10-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20081004022001/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/broglie-lecture.pdf
 | url-status = live
}}</ref>。つまり、適切な条件下では、電子やその他の物質は粒子か波のいずれかの性質を示すことになる。粒子が[[光の粒子説|粒子であること]]を立証するには、任意の時点に粒子が軌道上の一点に局在していることを示せばいい<ref>
{{cite book
 | last = Falkenburg
 | first = B.
 | year = 2007
 | title = Particle Metaphysics: A Critical Account of Subatomic Reality
 | url = https://books.google.com/books?id=EbOz5I9RNrYC&pg=PA85
 | page = 85
 | publisher = [[:en:Springer Science+Business Media|Springer]]
 | isbn = 978-3-540-33731-7
 | bibcode = 2007pmca.book.....F
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082417/https://books.google.com/books?id=EbOz5I9RNrYC&pg=PA85
 | url-status = live
}}</ref>。光の波動的性質は、たとえば光線を平行[[光学スリット|スリット]]に通過させて[[干渉 (物理学)|干渉]]パターンを作り出すことで示される。1927年、[[ジョージ・パジェット・トムソン]]とアレクサンダー・リードは、電子線に薄いセルロイド膜や金箔を透過させると干渉効果が生じることを発見し<ref name=navarro>{{Cite journal |last=Navarro |first=Jaume |date=2010 |title=Electron diffraction chez Thomson: early responses to quantum physics in Britain |url=https://www.cambridge.org/core/product/identifier/S0007087410000026/type/journal_article |journal=The British Journal for the History of Science |language=en |volume=43 |issue=2 |pages=245–275 |doi=10.1017/S0007087410000026 |s2cid=171025814 |issn=0007-0874}}</ref>、また、アメリカの物理学者[[クリントン・デイヴィソン]]と[[レスター・ガーマー]]は、[[ニッケル]]の結晶からの電子の反射によって干渉効果が生じることを発見した<ref>{{cite web
 | last = Davisson
 | first = C.
 | year = 1937
 | title = Nobel Lecture: The Discovery of Electron Waves
 | url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1937/davisson-lecture.pdf
 | publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 | access-date = 2008-08-30
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-07-09
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20080709090839/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1937/davisson-lecture.pdf
 | url-status = live
 }}</ref>。
[[File:Orbital s1.png|right|thumb|alt=A spherically symmetric blue cloud that decreases in intensity from the center outward|量子力学では、原子中の電子の挙動は[[原子軌道]]（古典的な運動軌道ではなく、むしろ確率分布を表すもの）によって記述される。図中の濃淡は、与えられた[[量子数]]に対応するエネルギーを持つ電子がその地点で「見つかる」相対確率を示している。]]
[[エルヴィン・シュレーディンガー]]は、ド・ブロイによる電子の波動性の予測をもとに、原子核の影響下で運動する電子の[[波動方程式]]を仮定した。1926年、この方程式、すなわち[[シュレーディンガー方程式]]は、電子波の伝播を記述することに成功した<ref>
{{cite journal
 | last = Schrödinger | first = E.
 | year = 1926
 | title = Quantisierung als Eigenwertproblem
 | journal = [[:en:Annalen der Physik|Annalen der Physik]]
 | volume = 385 | issue = 13 | pages = 437–490
 | bibcode = 1926AnP...385..437S
 | doi = 10.1002/andp.19263851302
 |language=de
}}</ref>。この方程式の解は波動関数と呼ばれるが、各時刻における電子の位置を決定するものではなく、ある点の近傍で電子が見つかる確率を予測するために使うことができた。特に電子が空間的に束縛される場合には、その確率分布が時間的に一定となって有用だった。このアプローチが[[量子力学]]の定式化につながった（ただし、1925年に[[ヴェルナー・ハイゼンベルク|ハイゼンベルク]]が先行して別の形式での定式化を行っていた）。シュレーディンガーやハイゼンベルクの方程式によって求められた水素原子中の電子のエネルギー状態は、1913年にボーアが水素スペクトルを再現するために提唱したものと対応していた<ref>
{{cite book
 | last = Rigden
 | first = J.S.
 | year = 2003
 | title = Hydrogen
 | url = https://books.google.com/books?id=FhFxn_lUvz0C&pg=PT66
 | publisher = Harvard University Press
 | pages = 59–86
 | isbn = 978-0-674-01252-3
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082407/https://books.google.com/books?id=FhFxn_lUvz0C&pg=PT66
 | url-status = live
}}</ref>。量子力学理論にスピンや複数の電子間の相互作用が取り入れられると、水素より原子番号が大きい原子の電子配置も予測できるようになった<ref>
{{cite book
 | last = Reed
 | first = B.C.
 | year = 2007
 | title = Quantum Mechanics
 | url = https://books.google.com/books?id=4sluccbpwjsC&pg=PA275
 | pages = 275–350
 | publisher = [[:en:Jones & Bartlett Learning|Jones & Bartlett Publishers]]
 | isbn = 978-0-7637-4451-9
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082419/https://books.google.com/books?id=4sluccbpwjsC&pg=PA275
 | url-status = live
}}</ref>。

1928年、[[ポール・ディラック]]は、ヴォルフガング・パウリの研究を基に、電磁場の量子力学の[[ハミルトニアン]]形式に相対論および対称性を取り入れることで、相対性理論と一致する電子のモデル、すなわち[[ディラック方程式]]を作り出した<ref>
{{cite journal
 |last         = Dirac
 |first        = P.A.M.
 |year         = 1928
 |title        = The Quantum Theory of the Electron
 |journal      = [[:en:Proceedings of the Royal Society#Proceedings of the Royal Society A|Proceedings of the Royal Society A]]
 |volume       = 117
 |issue        = 778
 |pages        = 610–624
 |doi          = 10.1098/rspa.1928.0023
 |bibcode      = 1928RSPSA.117..610D
 |url          = https://rspa.royalsocietypublishing.org/content/royprsa/117/778/610.full.pdf
 |doi-access   = free
 |access-date  = 2022-02-24
 |archive-date = 2018-11-25
 |archive-url  = https://web.archive.org/web/20181125224103/http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/royprsa/117/778/610.full.pdf
 |url-status   = live
}}</ref>。ディラックは1930年に、自身の相対論的方程式が持っていたいくつかの問題を解決するために、後に[[ディラックの海]]と呼ばれる、真空を負のエネルギーを持つ粒子による無限の海とするモデルを開発した。ディラックはこれによって、電子の[[反物質]]である陽電子の存在を予言した<ref>
{{cite web
 | last = Dirac
 | first = P.A.M.
 | year = 1933
 | title = Nobel Lecture: Theory of Electrons and Positrons
 | url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/dirac-lecture.pdf
 | publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 | access-date = 2008-11-01
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-07-23
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20080723220816/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/dirac-lecture.pdf
 | url-status = live
}}</ref>。この粒子は1932年に[[カール・デイヴィッド・アンダーソン|カール・アンダーソン]]によって発見された。アンダーソンは、positron（ポジトロン、陽電子) にならって標準的な電子を negatron（ネガトロン）と呼び、正電荷を持つものと負電荷を持つものを総称して electron（電子）と呼ぶことを提案した<ref>{{Cite journal |last=Anderson |first=Carl D. |date=1933-03-15 |title=The Positive Electron |journal=Physical Review |language=en |volume=43 |issue=6 |pages=491–494 |doi=10.1103/PhysRev.43.491 |bibcode=1933PhRv...43..491A |issn=0031-899X|doi-access=free }}</ref>。

1947年、[[ウィリス・ラム]]は大学院生の{{Ill2|ロバート・レザーフォード|en|Robert Retherford}}と共同で、同じエネルギーを持つはずの水素原子の特定の量子状態が相互にずれていることを発見した。このずれは[[ラム・シフト]]と呼ばれるようになった。ほぼ同時期に、[[ポリカプ・クッシュ]]と{{Ill2|ヘンリー・M・フォーリー|en|Henry M. Foley}}は共同で、電子の磁気モーメントがディラックの理論で予測されるものよりわずかに大きいことを発見した。このわずかな差は、後に電子の[[異常磁気モーメント|異常磁気双極子モーメント]]と呼ばれるようになった。これはその後、1940年代後半に、[[朝永振一郎]]、[[ジュリアン・シュウィンガー]]、[[リチャード・P・ファインマン|リチャード・ファインマン]]らが発展させた[[量子電磁力学]]理論によって説明された<ref>
{{cite web
 | title = The Nobel Prize in Physics 1965
 | url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/
 | publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 | access-date = 2008-11-04
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-10-24
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20081024052537/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/
 | url-status = live
}}</ref>。

=== 粒子加速器 ===
20世紀前半に[[粒子加速器]]が開発されると、物理学者は[[亜原子粒子]]の性質を深く掘り下げるようになった<ref>
{{cite journal
 | last = Panofsky
 | first = W.K.H.
 | year = 1997
 | title = The Evolution of Particle Accelerators & Colliders
 | url = https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/27/1/27-1-panofsky.pdf
 | journal = [[:en:Beam Line|Beam Line]]
 | volume = 27
 | issue = 1
 | pages = 36–44
 | access-date = 2008-09-15
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-09-09
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20080909234139/http://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/27/1/27-1-panofsky.pdf
 | url-status = live
}}</ref>。電子を加速する最初の試みは[[電磁誘導]]によるもので、1942年に{{Ill2|ドナルド・ウィリアム・カースト|en|Donald William Kerst|label=ドナルド・カースト}}によってなされた。彼の最初の[[ベータトロン]]は2.3&nbsp;MeVのエネルギーに達し、その後のベータトロンは300&nbsp;MeVを達成した。1947年、[[ゼネラル・エレクトリック]]が保有する70&nbsp;MeV級の電子シンクロトロンによって[[シンクロトロン放射]]が発見された。この放射は、光速に近い速度で運動する電子が、磁場を通過して加速されることによって引き起こされた<ref>
{{cite journal
 | last = Elder | first = F.R.
 | year = 1947
 | title = Radiation from Electrons in a Synchrotron
 | journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
 | volume = 71 | issue = 11 | pages = 829–830
 | doi = 10.1103/PhysRev.71.829.5
 |bibcode = 1947PhRv...71..829E |display-authors=etal
}}</ref>。

1968年、最初の高エネルギー粒子{{Ill2|衝突型加速器|en|Collider}}で1.5&nbsp;GeVのビームエネルギーを持つ{{Ill2|ADONE|en|ADONE}}の運用が始まった<ref>
{{cite book
 | last = Hoddeson
 | first = L.
 | year = 1997
 | title = The Rise of the Standard Model: Particle Physics in the 1960s and 1970s
 | url = https://books.google.com/books?id=klLUs2XUmOkC&pg=PA25
 | pages = 25–26
 | publisher = [[:en:Cambridge University Press|Cambridge University Press]]
 | isbn = 978-0-521-57816-5
 | display-authors = etal
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082414/https://books.google.com/books?id=klLUs2XUmOkC&pg=PA25
 | url-status = live
}}</ref>。この装置は、電子と陽電子を反対方向に加速させることで、静止した標的に電子を衝突させる場合と比べ、衝突エネルギーを実質的に2倍にした<ref>{{cite journal
 | last = Bernardini | first = C.
 | year = 2004
 | title = AdA: The First Electron–Positron Collider
 | journal = [[:en:Physics in Perspective|Physics in Perspective]]
 | volume = 6 | issue = 2 | pages = 156–183
 | bibcode = 2004PhP.....6..156B
 | doi = 10.1007/s00016-003-0202-y
| s2cid = 122534669
 }}</ref>。1989年から2000年まで運用されていた[[CERN]]の{{Ill2|大型電子陽電子衝突型加速器|en|Large Electron–Positron Collider}}（LEP）は209&nbsp;GeVの衝突エネルギーを達成し、素粒子物理学の[[標準模型]]にとって重要な測定を行った<ref>{{cite web
 | year = 2008
 | title = Testing the Standard Model: The LEP experiments
 | url = https://public.web.cern.ch/PUBLIC/en/Research/LEPExp-en.html
 | publisher = [[:en:CERN|CERN]]
 | access-date = 2008-09-15
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-09-14
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20080914164129/http://public.web.cern.ch/public/en/Research/LEPExp-en.html
 | url-status = live
 }}</ref><ref>{{cite journal
 | year = 2000
 | title = LEP reaps a final harvest
 | url = https://cerncourier.com/cws/article/cern/28335
 | journal = [[:en:CERN Courier|CERN Courier]]
 | volume = 40
 | issue = 10
 | access-date = 2022-02-24
 | archive-date = 2017-09-30
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20170930222305/http://cerncourier.com/cws/article/cern/28335
 | url-status = live
 }}</ref>。

=== 個々の電子の閉じ込め ===
現在では、−269&nbsp;°C（4&nbsp;[[ケルビン|K]]）から約−258&nbsp;°C（15&nbsp;[[ケルビン|K]]）までの極低温で動作する超小型（{{nowrap|1=20 nm × 20 nm}}）[[CMOS|CMOSトランジスタ]]に、個々の電子を容易に閉じ込められるようになった<ref>{{cite journal
 | last1 = Prati | first1 = E.
 | last2 = De Michielis | first2 = M.
 | last3 = Belli | first3 = M.
 | last4 = Cocco | first4 = S.
 | last5 = Fanciulli | first5 = M.
 | last6 = Kotekar-Patil | first6 = D.
 | last7 = Ruoff | first7 = M.
 | last8 = Kern | first8 = D.P.
 | last9 = Wharam | first9 = D.A.
 | last10 = Verduijn | first10 = J.
 | last11 = Tettamanzi | first11 = G.C.
 | last12 = Rogge | first12 = S.
 | last13 = Roche | first13 = B.
 | last14 = Wacquez | first14 = R.
 | last15 = Jehl | first15 = X.
 | last16 = Vinet | first16 = M.
 | last17 = Sanquer | first17 = M.
 | title = Few electron limit of n-type metal oxide semiconductor single electron transistors
 | journal = Nanotechnology
 | volume = 23 | issue = 21 | pages = 215204
 | year = 2012
 | doi = 10.1088/0957-4484/23/21/215204
 | pmid =  22552118 |arxiv = 1203.4811
 |bibcode = 2012Nanot..23u5204P | citeseerx = 10.1.1.756.4383 | s2cid = 206063658
 }}</ref>。閉じ込められた電子の波動関数は半導体格子中に広がっており、[[価電子帯]]電子との相互作用は無視できるほどなので、その質量を[[有効質量|有効質量テンソル]]に置き換えることで、単一粒子形式で扱うことができる。

== 特徴 ==

=== 分類 ===
[[File:Standard Model of Elementary Particles.svg|right|thumb|upright=1.25|alt=A table with four rows and four columns, with each cell containing a particle identifier|素粒子の標準模型。左側に電子がある (記号e)。]]
素粒子物理学の[[標準模型]]において、電子は、基本粒子あるいは[[素粒子]]であると考えられている[[レプトン (素粒子)|レプトン]]と呼ばれる亜原子粒子のグループに属する。電子は、荷電レプトンの中で最も質量が小さく（あらゆる種類の荷電粒子の中でも最軽量）、第1[[世代 (素粒子)|世代]]の基本粒子に属する<ref>{{cite journal
 | last1 = Frampton | first1 = P.H.
 | last2 = Hung | first2 = P.Q.
 | last3 = Sher | first3 = Marc
 | year = 2000
 | title = Quarks and Leptons Beyond the Third Generation
 | journal = [[:en:Physics Reports|Physics Reports]]
 | volume = 330 | issue = 5–6 | pages = 263–348
 | doi = 10.1016/S0370-1573(99)00095-2
 |arxiv = hep-ph/9903387 |bibcode = 2000PhR...330..263F
| s2cid = 119481188
 }}</ref>。第2世代と第3世代の荷電レプトンには[[ミュー粒子]]と[[タウ粒子]]があり、それらは電荷、[[スピン角運動量|スピン]]、[[相互作用]]において電子と同じであるが、より大きな質量を持つ。レプトンは、[[強い相互作用]]を持たないという点で、物質のもう一つの基本構成要素である[[クォーク]]とは異なる。レプトン族のメンバーはすべて[[半整数|半奇数]]のスピンを持っているのでフェルミ粒子であり、電子はスピン {{sfrac|1|2}} を持つ<ref name="raith">{{cite book
 | last1 = Raith | first1 = W.
 | last2 = Mulvey | first2 = T.
 | year = 2001
 | title = Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei and Particles
 | pages = 777–781
 | publisher = [[:en:CRC Press|CRC Press]]
 | isbn = 978-0-8493-1202-1
}}</ref>。

=== 基本的性質 ===
電子の[[不変質量]]は約[[:en:Orders of magnitude (mass)#10-25 kg or less|{{val|9.109|e=-31}}]]キログラム<ref name="CODATA" />、または{{val|5.489|e=-4}}[[原子質量単位]]である。[[質量とエネルギーの等価性]]により、これは [[:en:Orders of magnitude (energy)#1E-15|{{convert|0.511|MeV|J|abbr=on}}]] の[[静止エネルギー]]に相当する。

陽子と電子の質量の比は約1836である<ref name="nist_codata_mu">{{cite web
 | title = CODATA value: proton-electron mass ratio
 | url = https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpsme
 | work = 2006 CODATA recommended values
 | publisher = [[:en:National Institute of Standards and Technology|National Institute of Standards and Technology]]
 | access-date = 2009-07-18
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2019-03-28
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20190328001314/https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpsme
 | url-status = live
 }}</ref><ref name="Zombeck2007">{{cite book
 | last = Zombeck
 | first = M.V.
 | year = 2007
 | title = Handbook of Space Astronomy and Astrophysics
 | url = https://books.google.com/books?id=tp_G85jm6IAC&pg=PA14
 | edition = 3rd
 | page = 14
 | publisher = Cambridge University Press
 | isbn = 978-0-521-78242-5
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204082414/https://books.google.com/books?id=tp_G85jm6IAC&pg=PA14
 | url-status = live
 }}</ref>。天文学的な測定によれば、{{Ill2|陽子対電子質量比|en|Proton-to-electron mass ratio|label=陽子と電子の質量比}}は、標準模型で予測されているように、少なくとも[[宇宙の年齢]]の半分の間、同じ値を保っていることが示されている<ref>{{cite journal
 | last = Murphy | first = M.T.
 | year = 2008
 | title = Strong Limit on a Variable Proton-to-Electron Mass Ratio from Molecules in the Distant Universe
 | journal = [[:en:Science (journal)|Science]]
 | volume = 320 | issue = 5883 | pages = 1611–1613
 | doi = 10.1126/science.1156352
 | pmid = 18566280
 |bibcode = 2008Sci...320.1611M |arxiv = 0806.3081 | s2cid = 2384708
 |display-authors=etal}}</ref>。

電子は{{val|-1.602176634|e=-19}}[[クーロン]]の[[電荷]]を持つ<ref name="CODATA">The original source for CODATA is {{cite journal
 | last1 = Mohr | first1 = P.J.
 | last2 = Taylor | first2 = B.N.
 | last3 = Newell | first3 = D.B.
 | year = 2008
 | title = CODATA recommended values of the fundamental physical constants
 | journal = [[:en:Reviews of Modern Physics|Reviews of Modern Physics]]
 | volume = 80 | pages = 633–730
 | doi = 10.1103/RevModPhys.80.633 | bibcode=2008RvMP...80..633M
 | issue = 2
|arxiv = 0801.0028 | citeseerx = 10.1.1.150.1225
 }}
:Individual physical constants from the CODATA are available at: {{cite web
 | url = https://physics.nist.gov/cuu/
 | title = The NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty
 | publisher = [[:en:National Institute of Standards and Technology|National Institute of Standards and Technology]]
 | access-date = 2009-01-15
 | archive-date = 2009-01-16
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20090116162522/http://physics.nist.gov/cuu/
 | url-status = live
 }}</ref>。これは亜原子粒子の電荷の標準単位としても使われ、素電荷（あるいは電気素量）とも呼ばれる。実験精度の範囲内では、電子の電荷は陽子の電荷と同じ大きさであるが、符号は逆である<ref>{{cite journal
 | last1 = Zorn | first1 = J.C.
 | last2 = Chamberlain | first2 = G.E.
 | last3 = Hughes | first3 = V.W.
 | year = 1963
 | title = Experimental Limits for the Electron–Proton Charge Difference and for the Charge of the Neutron
 | journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
 | volume = 129 | issue = 6 | pages = 2566–2576
 | doi = 10.1103/PhysRev.129.2566
|bibcode = 1963PhRv..129.2566Z }}</ref>。電子は一般的に {{subatomicParticle|e<!-- electron -->}} の記号で、陽電子は {{subatomicParticle|e+<!-- positron -->}} の記号で表される<ref name="raith" /><ref name="CODATA" />。

電子は {{sfrac|''ħ''|2}} の固有[[角運動量]]（スピン）を持つ<ref name="CODATA" />。この性質はふつう電子を「[[スピン-1/2|スピン]][[:en:spin-½|{{sfrac|1|2}}]]」の粒子と呼ぶことで示される<ref name="raith" />。そのような粒子はスピンの大きさが {{sfrac|''ħ''|2}} であり<ref name="Gupta2001" />、任意の軸に[[射影]]したスピンの測定結果は±{{sfrac|''ħ''|2}}のどちらかにしかならない。スピンに加えて、電子はそのスピン軸に沿って固有の{{Ill2|電子磁気モーメント|en|Electron magnetic moment|label=磁気モーメント}}を持っている<ref name="CODATA" />。その大きさは、{{val|9.27400915|(23)|e=-24|u=[[ジュール]]毎[[テスラ (単位)|テスラ]]}}の値を持つ物理定数である<ref name="CODATA" />[[ボーア磁子]]にほぼ等しい<ref name="Hanneke" />{{efn|ボーア磁子は以下で表される。
:<math>\textstyle\mu_{\mathrm{B}}=\frac{e\hbar}{2m_{\mathrm{e}}}</math>}}。電子の運動量に対するスピンの向きは、素粒子が持つ[[ヘリシティー (素粒子)|ヘリシティ]]と呼ばれる性質を定義する<ref name="anastopoulos">{{cite book
 | last = Anastopoulos
 | first = C.
 | year = 2008
 | title = Particle Or Wave: The Evolution of the Concept of Matter in Modern Physics
 | url = https://books.google.com/books?id=rDEvQZhpltEC&pg=PA261
 | publisher = Princeton University Press
 | pages = 261–262
 | isbn = 978-0-691-13512-0
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2021-01-07
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160318/https://books.google.com/books?id=rDEvQZhpltEC&pg=PA261
 | url-status = live
 }}</ref>。

電子は知られている限り[[プレオン|内部構造]]を持たない<ref name="prl50">{{cite journal
 | last1 = Eichten | first1 = E.J.
 | last2 = Peskin | first2 = M.E.
 | last3 = Peskin | first3 = M.
 | year = 1983
 | title = New Tests for Quark and Lepton Substructure
 | journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
 | volume = 50 | pages = 811–814 | issue = 11
 | doi = 10.1103/PhysRevLett.50.811 | bibcode=1983PhRvL..50..811E
| osti = 1446807
 | s2cid = 119918703
 }}</ref><ref>{{cite journal
 | last = Gabrielse | first = G.
 | year = 2006
 | title = New Determination of the Fine Structure Constant from the Electron ''g'' Value and QED
 | journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
 | volume = 97 | pages = 030802(1–4)
 | doi = 10.1103/PhysRevLett.97.030802
| pmid = 16907491
 | bibcode=2006PhRvL..97c0802G
 | issue = 3
| s2cid = 763602
 |display-authors=etal}}</ref>。それにもかかわらず、[[物性物理学]]では、一部の物質で{{Ill2|スピンと電荷の分離|en|Spin–charge separation}}が起こることが知られている。このような場合、電子は{{Ill2|スピノン|en|Spinon}}、{{Ill2|オービトン|en|Orbiton}}、{{Ill2|ホロン (物理学)|en|Holon (physics)|label=ホロン}}という3つの独立した[[準粒子]]に「分裂」する。それぞれスピン、軌道自由度、電荷を担う準粒子で、電子は理論的にはそれらの束縛状態と見なせる<ref>{{cite journal|title= Spin-orbital separation in the quasi-one-dimensional Mott insulator Sr<sub>2</sub>CuO<sub>3</sub>|first=J.|last=Schlappa|last2=et al. |year=2012|journal=Nature|volume=485|pages=82-85|doi= 10.1038/nature10974}}</ref>。

電子の半径は現代の理論物理学においても困難な問題である。電子の半径が有限であるという仮説を認めることは、相対性理論の前提と矛盾する。一方、点のような電子（ゼロ半径）を仮定すると電子の[[自己エネルギー]]が無限大に発散するため、深刻な数学的困難を引き起こす<ref>[[:en:Eduard Shpolsky|Eduard Shpolsky]], Atomic physics (Atomnaia fizika), second edition, 1951</ref>。{{Ill2|ペニング・トラップ|en|Penning trap}}内での単一電子の観測によれば、粒子半径の上限が10<sup>−22</sup>メートルであると示唆される<ref>{{cite journal
 | last = Dehmelt | first = H.
 | year = 1988
 | title = A Single Atomic Particle Forever Floating at Rest in Free Space: New Value for Electron Radius
 | journal = [[:en:Physica Scripta|Physica Scripta]]
 | volume = T22 | pages = 102–110
 | doi = 10.1088/0031-8949/1988/T22/016
|bibcode = 1988PhST...22..102D | s2cid = 250760629
 }}</ref>。半径上限が10<sup>−18</sup>メートルという見積もりもある<ref>{{cite web |author-link=Gerald Gabrielse |first=Gerald |last=Gabrielse |first2=David|last2=Hanneke|url=https://cerncourier.com/a/precision-pins-down-the-electrons-magnetism/ |title=Precision pins down the electron’s magnetism |publisher=IOP Publishing |access-date=2024-06-06|website=CERN Courier |date=2006-10-04}}</ref>。陽子の半径よりはるかに大きな{{val|2.8179|e=-15|u=m}}という値を持つ「[[古典電子半径]]」と呼ばれる物理定数も存在するが、名前の通り[[量子力学]]の影響を無視した単純な計算に基づくもので、実際の電子の基本構造とはほとんど関係がない<ref>{{cite book
 | last = Meschede
 | first = D.
 | year = 2004
 | title = Optics, light and lasers: The Practical Approach to Modern Aspects of Photonics and Laser Physics
 | url = https://books.google.com/books?id=PLISLfBLcmgC&pg=PA168
 | publisher = [[:en:Wiley-VCH|Wiley-VCH]]
 | page = 168
 | isbn = 978-3-527-40364-6
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2014-08-21
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20140821185221/http://books.google.com/books?id=PLISLfBLcmgC&pg=PA168
 | url-status = live
 }}</ref><ref name="HakenWolfBrewer2005" />{{efn|古典電子半径は次のように導出される。電子の電荷が球体全体に一様に広がっていると仮定する。球体の一部分は他の部分と反発するので、球体は静電的なポテンシャルエネルギーを持つ。このエネルギーは、[[特殊相対性理論]]で定義される電子の[[不変質量#静止エネルギー|静止エネルギー]] (''E''&nbsp;<nowiki>=</nowiki>&nbsp;''mc''<sup>2</sup>)に等しいと仮定する。<br />
[[静電気学|静電気理論]]から、半径 ''r'' と電荷 ''e'' を持つ球の[[位置エネルギー]]は次式で与えられる。
:<math>E_{\mathrm p} = \frac{e^2}{8\pi \varepsilon_0 r}</math>
ここで ''ε''<sub>0</sub> は[[真空の誘電率]]である。静止質量 ''m''<sub>0</sub> の電子の場合、静止エネルギーは次式に等しい。
:<math>\textstyle E_{\mathrm p} = m_0 c^2</math>
ここで ''c'' は真空中の光速である。これらが等しいとおいて ''r'' について解くと古典電子半径が得られる。<br />
参照: Haken, Wolf, & Brewer (2005).}}。

[[素粒子]]の中には自然[[粒子崩壊|崩壊]]してより質量の小さい粒子になるものがある。[[指数関数的減衰#平均寿命|平均寿命]]{{val|2.2|e=-6}}&nbsp;秒の[[ミュー粒子]]がその一例で、電子、[[ミューニュートリノ]]、[[反電子ニュートリノ]]に崩壊する。一方、電子は理論的根拠に基づいて安定していると考えられている。電子は電荷がゼロでない最も質量の小さい粒子であるため、その崩壊は[[電荷保存則]]に反することになる<ref>{{cite journal
 | last = Steinberg | first = R.I.
 | year = 1999
 | title = Experimental test of charge conservation and the stability of the electron
 | journal = [[:en:Physical Review D|Physical Review D]]
 | volume = 61 | issue = 2 | pages = 2582–2586
 | doi = 10.1103/PhysRevD.12.2582
|bibcode = 1975PhRvD..12.2582S |display-authors=etal}}</ref>。電子の平均寿命の実験的な下限は、90%信頼区間で{{val|6.6|e=28}}&nbsp;年である<ref name="bx2015" /><ref>{{cite journal
 |author1         = Beringer, J.
 |display-authors = etal
 |collaboration   = Particle Data Group
 |year            = 2012
 |title           = Review of Particle Physics: [electron properties]
 |journal         = [[:en:Physical Review D|Physical Review D]]
 |volume          = 86
 |issue           = 1
 |pages           = 010001
 |doi             = 10.1103/PhysRevD.86.010001
 |bibcode         = 2012PhRvD..86a0001B
 |url             = https://pdg.lbl.gov/2012/listings/rpp2012-list-electron.pdf
 |doi-access      = free
 |access-date     = 2022-02-24
 |archive-date    = 2022-01-15
 |archive-url     = https://web.archive.org/web/20220115063155/https://pdg.lbl.gov/2012/listings/rpp2012-list-electron.pdf
 |url-status      = live
}}</ref><ref>{{cite journal
 | last1 =  Back | first1 = H.O. |display-authors=etal
 | year = 2002
 | title = Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector
 | journal = [[:en:Physics Letters B|Physics Letters B]]
 | volume = 525 | issue = 1–2 | pages = 29–40
 | doi = 10.1016/S0370-2693(01)01440-X | doi-access = free
 | bibcode = 2002PhLB..525...29B
}}</ref>。

=== 量子的性質 ===
すべての粒子と同様に、電子も波としてふるまうことがある。これは[[粒子と波動の二重性]]と呼ばれ、[[二重スリット実験]]で証明することができる。

電子は波動的性質を持つため、古典的な粒子の場合のように1つのスリットだけを通過するのではなく、2つの平行なスリットを同時に通過することができる。量子力学では、1つの粒子の波動的性質は、一般的にギリシャ文字の[[Ψ|プサイ]]（''ψ''）で表される[[複素数|複素数値]]関数の「[[波動関数]]」として数学的に記述することができる。この関数の[[絶対値#複素数の絶対値|絶対値]]を[[自乗]]すると、粒子がある場所の近くで観測される確率、すなわち[[確率密度関数|確率密度]]が得られる<ref name="munowitz">{{cite book
 | last = Munowitz | first = M.
 | year = 2005
 | title = Knowing the Nature of Physical Law
 | url = https://archive.org/details/knowingnatureofp0000muno
 | url-access = registration | page = [https://archive.org/details/knowingnatureofp0000muno/page/162 162] | publisher = Oxford University Press
 | isbn = 978-0-19-516737-5
}}</ref>{{rp|162–218}}。
[[File:Asymmetricwave2.png|right|thumb|alt=A three dimensional projection of a two dimensional plot. There are symmetric hills along one axis and symmetric valleys along the other, roughly giving a saddle-shape|{{Ill2|箱の中の粒子|en|Particle in a box|label=1次元の箱}}内の2個の同種[[フェルミ粒子]]の量子状態を表す反対称波動関数の例。2つの水平軸はそれぞれ1つの粒子の位置に対応する。粒子の位置が入れ替わると、波動関数の符号は反転するが、波動関数の絶対値の二乗（粒子位置がそれらの値を取る確率）は変わらない。]]
電子は[[同種粒子]]であり、固有の物理的性質によって互いに区別することはできない。量子力学において、このことは、相互作用する電子のペアが、系の状態に観測可能な変化を与えることなく、位置が置換可能であることを意味する。電子を含むフェルミ粒子の波動関数は反対称である。つまり2つの電子が入れ替わると符号が反転する。すなわち、{{nowrap|''ψ''(''r''<sub>1</sub>, ''r''<sub>2</sub>) {{=}} −''ψ''(''r''<sub>2</sub>, ''r''<sub>1</sub>)}} であり、変数 ''r''<sub>1</sub> と ''r''<sub>2</sub> はそれぞれ1番目と2番目の電子に対応する。符号が反転しても絶対値は変わらないので、確率も不変である。光子などの[[ボース粒子]]はそうではなく、対称な波動関数を持つ<ref name="munowitz" />{{rp|162–218}}。

反対称の場合、相互作用する電子の波動方程式の解は、それぞれのペアが同じ場所や状態を占める[[ほとんど (数学)#ほとんど確実に|確率はゼロ]]になる。これが、2つの電子が同じ量子状態を占めることができないとする[[パウリの排他原理]]の原因である。この原理は電子の特性の多くを説明している。たとえば、原子に束縛された電子の集団が、すべて同じ[[原子軌道|軌道]]上で重なり合うのではなく、異なる軌道を占めるようになるという性質もその一つである<ref name="munowitz" />{{rp|162–218}}。

=== 仮想粒子 ===
{{Main|仮想粒子}}
誤解を招きやすいが、ある側面を説明するのに役立つかもしれない単純化した描像においては、すべての光子は、ある時間にわたって仮想電子とその反粒子である仮想陽電子の組み合わせに変わり、その後すぐに[[対消滅]]して光子に戻る<ref>{{cite magazine
 | last = Kane | first = G.
 | date = October 9, 2006
 | url = https://www.sciam.com/article.cfm?id=are-virtual-particles-rea&topicID=13
 | title = Are virtual particles really constantly popping in and out of existence? Or are they merely a mathematical bookkeeping device for quantum mechanics?
 | magazine = [[:en:Scientific American|Scientific American]]
 | access-date = 2008-09-19 |df=dmy-all
}}</ref>。これらの粒子を生成するのに必要なエネルギーの変化と、それらが存在する時間との組み合わせは、ハイゼンベルグの[[不確定性関係]] Δ''E''&nbsp;·&nbsp;Δ''t''&nbsp;≥&nbsp;''ħ'' で表される検出可能性の閾値に収まる。事実上、これらの仮想粒子を生成するのに必要なエネルギー Δ''E'' は、その積が[[プランク定数|換算プランク定数]] {{nowrap|''ħ'' ≈ {{val|6.6|e=-16|u=eV·s}}}} を超えないように、期間 Δ''t'' の間、[[量子真空|真空]]から「借りる」ことができる。この理由から、仮想電子の Δ''t'' はせいぜい {{val|1.3|e=-21|u=s}}である<ref name="taylor">{{cite book
 | last = Taylor
 | first = J.
 | year = 1989
 | chapter = Gauge Theories in Particle Physics
 | chapter-url = https://books.google.com/books?id=akb2FpZSGnMC&pg=PA464
 | editor = Davies, Paul
 | title = The New Physics
 | page = 464
 | publisher = [[:en:Cambridge University Press|Cambridge University Press]]
 | isbn = 978-0-521-43831-5
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2014-09-21
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20140921171834/http://books.google.com/books?id=akb2FpZSGnMC&pg=PA464
 | url-status = live
 }}</ref>。
[[File:Virtual pairs near electron.png|right|thumb|alt=A sphere with a minus sign at lower left symbolizes the electron, while pairs of spheres with plus and minus signs show the virtual particles|電子 (左下) の近くにランダムに現れる仮想電子・陽電子対を描いた模式図 ]]
仮想ではない電子の周囲では、仮想電子－陽電子対が生成するとすぐに、陽電子は元々の電子が作る[[電場]]からの[[クーロン力]]によって引き寄せられ、一方で生成された電子は反発する。これにより、いわゆる[[真空偏極]]が引き起こされ、真空は事実上[[比誘電率|誘電率]]が[[1]]以上の[[媒質]]のようにふるまう。そのため、電子の実効電荷は実際にはその真値よりも小さく、そしてその電荷は電子からの距離とともに減少する<ref name="genz">{{cite book
 | last = Genz | first = H.
 | year = 2001
 | title = Nothingness: The Science of Empty Space
 | pages = 241–243, 245–247
 | publisher = [[:en:Da Capo Press|Da Capo Press]]
 | isbn = 978-0-7382-0610-3
}}</ref><ref>{{cite news
 | last = Gribbin
 | first = J.
 | date = January 25, 1997
 | title = More to electrons than meets the eye
 | magazine = [[:en:New Scientist|New Scientist]]
 | url = https://www.newscientist.com/article/mg15320662.300-science--more-to-electrons-than-meets-the-eye.html
 | access-date = 2008-09-17
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2015-02-11
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20150211085433/http://www.newscientist.com/article/mg15320662.300-science--more-to-electrons-than-meets-the-eye.html
 | url-status = live
 }}</ref>。この偏極は、1997年に日本の粒子加速器[[TRISTAN]]を用いて実験的に確認された<ref>{{cite journal
 | last1 = Levine | first1 = I. |display-authors=etal
 | year = 1997
 | title = Measurement of the Electromagnetic Coupling at Large Momentum Transfer
 | journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
 | volume = 78 | issue = 3 | pages = 424–427
 | doi = 10.1103/PhysRevLett.78.424
 | bibcode=1997PhRvL..78..424L
}}</ref>。仮想粒子は、電子の質量にも同様の[[遮蔽効果]]を引き起こす<ref>{{cite conference
 | last = Murayama | first = H.
 | date =10–17 March 2006
 | title = Supersymmetry Breaking Made Easy, Viable and Generic
 | conference = Proceedings of the XLIInd Rencontres de Moriond on Electroweak Interactions and Unified Theories
 | place = La Thuile, Italy
 | arxiv = 0709.3041
 | bibcode = 2007arXiv0709.3041M}} — lists a 9% mass difference for an electron that is the size of the [[:en:Planck length|Planck distance]].</ref>。

仮想粒子との相互作用はまた、電子の固有磁気モーメントのボーア磁子からのわずかな（約0.1%）ずれ（[[異常磁気モーメント]]）も説明する<ref name="Hanneke">{{cite journal
 | last1 = Odom | first1 = B. |display-authors=etal
 | year = 2006
 | title = New Measurement of the Electron Magnetic Moment Using a One-Electron Quantum Cyclotron
 | journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
 | volume = 97 | issue=3 | pages = 030801
 | doi = 10.1103/PhysRevLett.97.030801
 | pmid=16907490 | bibcode=2006PhRvL..97c0801O
}}</ref><ref>{{cite journal
 | last = Schwinger | first = J.
 | year = 1948
 | title = On Quantum-Electrodynamics and the Magnetic Moment of the Electron
 | journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
 | volume = 73 | issue = 4 | pages = 416–417
 | doi = 10.1103/PhysRev.73.416 | doi-access = free
 | bibcode = 1948PhRv...73..416S}}</ref>。この予測された差異と、実験的に決定された値との極めて正確な一致は、[[量子電磁力学]]の偉大な成果のひとつとみなされている<ref>{{cite book
 | last = Huang
 | first = K.
 | year = 2007
 | title = Fundamental Forces of Nature: The Story of Gauge Fields
 | url = https://books.google.com/books?id=q-CIFHpHxfEC&pg=PA123
 | pages = 123–125
 | publisher = [[:en:World Scientific|World Scientific]]
 | isbn = 978-981-270-645-4
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071144/https://books.google.com/books?id=q-CIFHpHxfEC&pg=PA123
 | url-status = live
 }}</ref>。

点粒子である電子が固有の角運動量と磁気モーメントを持つという[[古典物理学]]における明白なパラドックスは、電子が生成する電場の中での[[仮想粒子|仮想光子]]の形成によって説明することができる。この光子は電子をジグザグ運動（[[ツィッターベヴェーグンク]]と呼ぶ）させ、その結果、[[歳差]]運動を伴う正味の円運動が起きると見なせる<ref>{{cite journal
 | last1 = Foldy | first1 = L.L.
 | last2 = Wouthuysen | first2 = S.
 | year = 1950
 | title = On the Dirac Theory of Spin 1/2 Particles and Its Non-Relativistic Limit
 | journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
 | volume = 78 | issue = 1 | pages = 29–36
 | doi = 10.1103/PhysRev.78.29
|bibcode = 1950PhRv...78...29F }}</ref>。この運動が、電子のスピンと磁気モーメントの両方を生成する<ref name="curtis74" />。原子の場合は、この仮想光子の生成が[[スペクトル線]]で観測される[[ラムシフト|ラム・シフト]]を説明する<ref name="genz" />。[[コンプトン波長]]は、電子のような素粒子の近傍では、エネルギーの不確定性によって電子の近傍に仮想粒子が生成されることを示している。この波長は、素粒子の周囲の近傍に仮想粒子が「静的」に存在することを説明する{{要出典|date=2024年6月}}。

=== 相互作用 ===
電子は電場を発生させ、それによって陽子のような正電荷を持つ粒子には引力を、また負電荷を持つ粒子には斥力（反発力）を及ぼす。非相対論的近似におけるこの力の強さは、[[クーロンの法則|クーロンの逆自乗則]]によって決定される<ref name="Griffiths1998">{{cite book
 |last=Griffiths |first=David J.
 |title=Introduction to Electrodynamics |edition=3rd
 |publisher=Prentice Hall |year=1998
 |isbn=978-0-13-805326-0
 |url=https://archive.org/details/introductiontoel00grif_0}}</ref>{{rp|pages=58–61}}。電子が運動すると[[磁場]]が発生する<ref name="munowitz" />{{rp|page=140}}。[[アンペールの法則|アンペール・マクスウェルの法則]]は、その磁場と、観測者を基準とする電子の質量運動、すなわち[[電流]]とを関係づける<ref>{{cite book
 |last=Crowell
 |first=B.
 |title=Electricity and Magnetism
 |url=https://books.google.com/books?id=s9QWZNfnz1oC&pg=PT129
 |pages=129–152
 |publisher=Light and Matter
 |year=2000
 |isbn=978-0-9704670-4-1
 |access-date=2020-08-25
 |archive-date=2022-02-04
 |archive-url=https://web.archive.org/web/20220204083733/https://books.google.com/books?id=s9QWZNfnz1oC&pg=PT129
 |url-status=live
 }}</ref>。運動する任意の荷電粒子の電磁場は、[[リエナール・ヴィーヘルト・ポテンシャル|リエナール – ヴィーヘルト・ポテンシャル]]で表される。これは粒子の速度が光の速度に近い場合（[[特殊相対性理論|相対論的な状況]]）でも有効である<ref name="Griffiths1998" />{{rp|pages=429–434}}。

[[File:Lorentz force.svg|right|thumb|alt=A graph with arcs showing the motion of charged particles|電荷 ''q'' を持つ粒子 (左) は、図の手前向きの磁場 ''B'' の中を速度 ''v'' で移動している。電子の場合、''q'' は負なので、上に向かって曲がった軌跡を描く。]]
電子が磁場中を移動するとき、磁場と電子の速度によって定義される平面に対して垂直に作用する[[ローレンツ力]]の影響を受ける。これは[[向心力]]としてはたらき、電子は{{Ill2|ジャイロ半径|en|Gyroradius}}と呼ばれる半径を持つ[[らせん]]状の軌道を描く。軌道をカーブさせるような加速度を受けると、電子は[[放射光|シンクロトロン放射]]という形でエネルギーを放射する<ref>{{cite journal
 |last1 = Mahadevan |first1 = R.
 |last2 = Narayan |first2 = R.
 |last3 = Yi |first3 = I.
 |year = 1996
 |title = Harmony in Electrons: Cyclotron and Synchrotron Emission by Thermal Electrons in a Magnetic Field
 |journal = [[:en:The Astrophysical Journal|The Astrophysical Journal]]
 |volume = 465 | pages = 327–337
 |arxiv = astro-ph/9601073
 |doi = 10.1086/177422 |bibcode=1996ApJ...465..327M
|s2cid = 16324613
 }}</ref>{{efn|非相対論的電子からの放射は[[サイクロトロン放射]]と呼ばれることもある。}}<ref name="munowitz" />{{rp|page=160}}。電子のこのエネルギー放出から{{Ill2|アブラハム-ローレンツ力|en|Abraham–Lorentz force|label=アブラハム-ローレンツ-ディラック力}}と呼ばれる反力が発生し、一種の摩擦を作り出して電子を減速させる。この力は、電子が作る電場から電子自身への{{Ill2|バックリアクション|en|Back-reaction}}によって引き起こされる<ref>{{cite journal
 |last = Rohrlich |first = F.
 |year = 1999
 |title = The Self-Force and Radiation Reaction
 |journal = [[:en:American Journal of Physics|American Journal of Physics]]
 |volume = 68 |issue = 12 |pages = 1109–1112
 |doi = 10.1119/1.1286430
 |bibcode = 2000AmJPh..68.1109R
}}</ref>。
[[File:Bremsstrahlung.svg|thumb|left|upright|alt=A curve shows the motion of the electron, a red dot shows the nucleus, and a wiggly line the emitted photon|原子核の電場によって電子 ''e'' が偏向されると[[制動放射]]が発生する。放出される光子の周波数 ''f'' はエネルギー変化 ''E''<sub>2</sub>&nbsp;−&nbsp;''E''<sub>1</sub> によって決まる。]]
[[量子電磁力学]]においては、光子が粒子間の[[電磁相互作用]]を媒介する。孤立した等速の電子が、仮想粒子ではない光子を放出したり吸収したりすることはできない。そうすることは、[[エネルギー保存則|エネルギー]]と[[運動量]]の保存則に反するからである。それに対して仮想光子は2つの荷電粒子間で運動量を移動させることができる。クーロン力もこの仮想光子の交換から発生する<ref>{{cite book
 |last=Georgi
 |first=H.
 |chapter=Grand Unified Theories
 |page=427
 |editor=Davies, Paul
 |title=The New Physics
 |chapter-url=https://books.google.com/books?id=akb2FpZSGnMC&pg=PA427
 |publisher=Cambridge University Press
 |year=1989
 |isbn=978-0-521-43831-5
 |access-date=2020-08-25
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 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140921171123/http://books.google.com/books?id=akb2FpZSGnMC&pg=PA427
 |url-status=live
 }}</ref>。運動する電子が陽子などの荷電粒子によって偏向される場合にはエネルギー放出が可能である。電子が減速すると[[制動放射]]が起きる<ref>{{cite journal
 |last1=Blumenthal |first1= G.J.
 |last2=Gould |first2=R.
 |year=1970
 |title=Bremsstrahlung, Synchrotron Radiation, and Compton Scattering of High-Energy Electrons Traversing Dilute Gases
 |journal=[[:en:Reviews of Modern Physics|Reviews of Modern Physics]]
 |volume=42 |issue=2 |pages=237–270
 |doi=10.1103/RevModPhys.42.237 |bibcode=1970RvMP...42..237B}}</ref>。

光子（光）と[[自由電子]]の非弾性衝突を[[コンプトン散乱]]という。この衝突により、粒子間で運動量とエネルギーが移動し、それによってコンプトンシフトと呼ばれる量だけ光子の波長が変化する{{efn|波長の変化 Δ''λ'' は、光子の散乱角 ''θ'' に依存し、次式のようになる。
:<math>\textstyle \Delta \lambda = \frac{h}{m_{\mathrm{e}}c} (1 - \cos \theta)</math>
ここで ''c'' は真空中の光速、''m''<sub>e</sub> は電子の質量である。Zombeck (2007)を参照<ref name=Zombeck2007 />{{rp|page=393, 396}}。}}。この波長シフトの最大値は ''h''/''m''<sub>e</sub>''c'' であり、[[コンプトン波長]]と呼ばれている<ref>{{cite web
 |title=The Nobel Prize in Physics 1927
 |publisher=[[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 |year=2008
 |url=https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1927/
 |access-date=2008-09-28
 |df=dmy-all
 |archive-date=2008-10-24
 |archive-url=https://web.archive.org/web/20081024124054/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1927/
 |url-status=live
 }}</ref>。電子ではその値は{{val|2.43|e=-12|u=m}}である<ref name="CODATA" />。光の波長が長い場合（たとえば[[光|可視光]]の波長は0.4–0.7&nbsp;μm）、波長シフトは無視できる。このような散乱は[[トムソン散乱]]と呼ばれる<ref name="Chen1998">{{cite journal
 |last1=Chen |first1=S.-Y.
 |last2=Maksimchuk |first2=A.
 |last3=Umstadter |first3=D.
 |year=1998
 |title=Experimental observation of relativistic nonlinear Thomson scattering
 |journal=[[:en:Nature (journal)|Nature]]
 |volume=396 |issue=6712 |pages=653–655
 |doi=10.1038/25303 |arxiv=physics/9810036
 |bibcode=1998Natur.396..653C|s2cid=16080209
 }}</ref>。

電子と陽子のような2つの荷電粒子間の電磁相互作用の相対的な強さは、[[微細構造定数]]によって与えられる。この値は、1コンプトン波長分の距離における引力（または斥力）の[[静電エネルギー]]と、電荷の[[静止エネルギー]]の2つのエネルギーの比として表される無次元量である。その値は ''α''&nbsp;≈&nbsp;{{val|7.297353|e=-3}} で与えられ、{{sfrac|1|137}}にほぼ等しい<ref name="CODATA" />。

電子と陽電子が衝突すると{{Ill2|電子-陽電子消滅|en|Electron–positron annihilation|label=互いに消滅}}し、2個あるいはそれ以上のガンマ線光子を発生させる。電子と陽電子の運動量が無視できる場合には、いったん[[ポジトロニウム]]原子を形成した後に消滅して合計1.022&nbsp;MeVのガンマ線光子2個ないし3個を放出することがある<ref>{{cite journal
 | last1 = Beringer | first1 = R.
 | last2 = Montgomery | first2 = C.G.
 | year = 1942
 | title = The Angular Distribution of Positron Annihilation Radiation
 | journal = [[:en:Physical Review|Physical Review]]
 | volume = 61 | issue = 5–6 | pages = 222–224
 | doi = 10.1103/PhysRev.61.222
 | bibcode = 1942PhRv...61..222B }}</ref><ref>{{cite book
 | last = Buffa | first = A.
 | title = College Physics
 | publisher = Prentice Hall | edition = 4th | year = 2000
 | isbn = 978-0-13-082444-8
 | url = https://archive.org/details/collegephysicsvo00jerr/page/888
 | page =888
}}</ref>。一方、高エネルギー光子は、[[対生成]]と呼ばれる過程を経て電子と陽電子に変換されるが、原子核のような荷電粒子が近くに存在する場合に限られる<ref>{{cite journal
 | last = Eichler | first = J.
 | year = 2005
 | title = Electron–positron pair production in relativistic ion–atom collisions
 | journal = [[:en:Physics Letters A|Physics Letters A]]
 | volume = 347 | issue = 1–3 | pages = 67–72
 | doi = 10.1016/j.physleta.2005.06.105
 | bibcode = 2005PhLA..347...67E
}}</ref><ref>{{cite journal
 | last = Hubbell
 | first = J.H.
 | year = 2006
 | title = Electron positron pair production by photons: A historical overview
 | journal = [[:en:Radiation Physics and Chemistry|Radiation Physics and Chemistry]]
 | volume = 75
 | issue = 6
 | pages = 614–623
 | bibcode = 2006RaPC...75..614H
 | doi = 10.1016/j.radphyschem.2005.10.008
 | url = https://zenodo.org/record/1259327
 | access-date = 2019-06-21
 | archive-date = 2019-06-21
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20190621192329/https://zenodo.org/record/1259327
 | url-status = live
 }}</ref>。

[[電弱相互作用]]の理論では、電子の波動関数の[[カイラリティ|左巻き]]成分は、[[電子ニュートリノ]]と[[弱アイソスピン]]二重項を形成する。これは、[[弱い相互作用]]の間、電子ニュートリノは電子のようにふるまうことを意味する。この二重項のいずれかのメンバーは、{{SubatomicParticle|Wボソン<!-- W boson -->|link=yes}}ボソンを放出または吸収することによって{{Ill2|荷電カレント|en|Charged current|label=荷電カレント相互作用}}を受け、もう一方のメンバーに変換される。Wボソンも電荷を持ち、変換による電荷量の変化を打ち消すので、この反応では電荷は保存される。荷電カレント相互作用は、[[放射性]]原子における[[ベータ崩壊]]現象の原因である。電子と電子ニュートリノはどちらも、{{SubatomicParticle|Zボソン0<!-- Z boson0 -->|link=yes}}ボソンの交換を介して[[中性カレント]]相互作用を受けることがあり、これがニュートリノ–電子{{Ill2|弾性散乱|en|Elastic scattering|preserve=1}}の原因となる<ref name="quigg">{{cite conference
 |last=Quigg |first=C.
 |title=The Electroweak Theory |page=80
 |conference=TASI 2000: Flavor Physics for the Millennium
 |date=4–30 June 2000
 |place=Boulder, Colorado
 |arxiv=hep-ph/0204104 |bibcode = 2002hep.ph....4104Q
}}</ref>。
{{clear}}

=== 原子と分子 ===
{{Main|原子}}
[[File:Hydrogen Density Plots.png|right|thumb|upright=1.25|alt=A table of five rows and five columns, with each cell portraying a color-coded probability density|最初のいくつかの水素原子軌道の確率密度を断面図で示す。束縛電子のエネルギー準位によってどの軌道を占めるかが決まる。図の色はその位置で電子が見つかる確率を表す。]]
電子はクーロン引力によって[[原子核]]に束縛される。1つまたは複数の電子が原子核に束縛された系を[[原子]]と呼ぶ。電子の数が原子核の電荷と異なる場合、その原子は[[イオン (化学)|イオン]]と呼ばれる。束縛電子の波動的な挙動は、[[原子軌道]]と呼ばれる関数によって記述される。それぞれの軌道はエネルギー、角運動量、角運動量の射影成分などに対応する[[量子数]]の組で区別される。原子核の周りに存在するのは、量子数が一定のルールに従う整数の組であるような軌道のみである。パウリの排他原理によると、一つの軌道を占めることができる電子は2個までで、それらの{{Ill2|スピン量子数|en|Spin quantum number|preserve=1}}は異なっていなければならない。

電子は、エネルギー準位の差と等しいエネルギーを持つ光子の放出または吸収によって、異なる軌道間を移動することができる<ref name="Tipler2003" />{{rp|159–160}}。原子とほかの電子との衝突や[[オージェ効果]]などでも軌道間の移動が起きる<ref>{{cite book
 | last = Burhop | first = E.H.S.
 | author-link = Eric Burhop
 | year = 1952
 | title = The Auger Effect and Other Radiationless Transitions
 | publisher = Cambridge University Press
 | pages = 2–3
 | isbn = 978-0-88275-966-1
}}</ref>。電子が原子から脱出するためには、エネルギーが原子との[[イオン化エネルギー|結合エネルギー]]より高くなる必要がある。十分なエネルギーを持つ入射光子が電子に吸収されたときに起きる[[光電効果]]などがそれに当たる<ref name="Tipler2003">{{cite book
 | last1=Tipler | first1=Paul
 | last2=Llewellyn | first2=Ralph
 | title = Modern Physics
 | publisher=Macmillan | year=2003 | edition=illustrated
 | isbn=978-0-7167-4345-3
}}</ref>{{rp|127–132}}。

電子の軌道角運動量は{{Ill2|角運動量演算子|en|Angular momentum operator#Quantization|label=量子化|preserve=1}}されている。電子は電荷を持つため、角運動量に比例した軌道磁気モーメントを生じる。原子の正味の磁気モーメントは、すべての電子と原子核が持つ軌道磁気モーメントとスピン磁気モーメントのベクトル和に等しい。ただし原子核の磁気モーメントは電子に比べて無視できる。同じ軌道を占める電子（いわゆる電子対）のスピン磁気モーメントは打ち消し合う<ref>{{cite book
 | last = Jiles
 | first = D.
 | title = Introduction to Magnetism and Magnetic Materials
 | url = https://books.google.com/books?id=axyWXjsdorMC&pg=PA280
 | pages = 280–287
 | publisher = [[:en:CRC Press|CRC Press]]
 | year = 1998
 | isbn = 978-0-412-79860-3
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2021-01-26
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210126003325/https://books.google.com/books?id=axyWXjsdorMC&pg=PA280
 | url-status = live
 }}</ref>。

原子間の[[化学結合]]は[[電磁相互作用]]に由来し、量子力学の法則で説明される<ref>{{cite book
 |last1        = Löwdin
 |first1       = P.O.
 |last2        = Erkki Brändas
 |first2       = E.
 |last3        = Kryachko
 |first3       = E.S.
 |title        = Fundamental World of Quantum Chemistry: A Tribute to the Memory of Per-Olov Löwdin
 |url          = https://books.google.com/books?id=8QiR8lCX_qcC&pg=PA393
 |pages        = 393–394
 |publisher    = Springer Science+Business Media
 |year         = 2003
 |isbn         = 978-1-4020-1290-7
 |access-date  = 2020-08-25
 |archive-date = 2022-02-04
 |archive-url  = https://web.archive.org/web/20220204071147/https://books.google.com/books?id=8QiR8lCX_qcC&pg=PA393
 |url-status   = live
}}</ref>。最も強い結合は原子間の電子の[[共有結合|共有]]または{{Ill2|電子移動反応|en|Electron transfer|label=移動|preserve=1}}によるもので、[[分子]]はそれらの結合から生まれる<ref name="Pauling">{{cite book
 | last = Pauling | first = L.C.
 | title = The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: an introduction to modern structural chemistry
 | url = https://archive.org/details/natureofchemical0000paul_3ed/page/4
 | url-access = registration | pages =4–10
 | publisher = Cornell University Press | edition = 3rd | year = 1960
 | isbn = 978-0-8014-0333-0
}}</ref>。分子内では、電子はそれぞれの原子核の影響を受けて運動し、孤立した原子で原子軌道を占めるのと同様に、[[分子軌道]]を占有する<ref>{{cite book
 | last1 = McQuarrie
 | first1 = D.A.
 | last2 = Simon
 | first2 = J.D.
 | title = Physical Chemistry: A Molecular Approach
 | url = https://books.google.com/books?id=f-bje0-DEYUC&pg=PA325
 | publisher = University Science Books
 | year = 1997
 | pages = 325–361
 | isbn = 978-0-935702-99-6
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2021-01-07
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160307/https://books.google.com/books?id=f-bje0-DEYUC&pg=PA325
 | url-status = live
 }}</ref>。これらの分子構造における根底要因は、[[電子対]]の存在である。電子対は互いに逆方法のスピンを持つ電子であり、（原子と同様に）パウリ排他原理に反することなく同じ分子軌道を占めることができる。それぞれの分子軌道は異なった[[電子密度]]の空間分布を持っている。たとえば、結合対（原子を実際に結合させている電子対）が占めている電子軌道では、原子核の間にある比較的小さな領域で電子の密度が高くなっている。対照的に非結合対では、電子は原子核を取り囲む大きな領域に密度が分布している<ref>{{cite journal
 |last=Daudel |first=R.
 |year=1974
 |title=The Electron Pair in Chemistry
 |journal=[[:en:Canadian Journal of Chemistry|Canadian Journal of Chemistry]]
 |volume=52 |issue=8 |pages=1310–1320
 |doi=10.1139/v74-201
 |display-authors=etal
|doi-access=free
 }}</ref>。

=== 電気伝導 ===
[[File:Lightning over Oradea Romania cropped.jpg|right|thumb|alt=Four bolts of lightning strike the ground|[[雷]]放電は主に電子の流れで形成され<ref>{{cite book
 | last1 = Rakov
 | first1 = V.A.
 | last2 = Uman
 | first2 = M.A.
 | title = Lightning: Physics and Effects
 | url = https://books.google.com/books?id=TuMa5lAa3RAC&pg=PA4
 | page = 4
 | publisher = Cambridge University Press
 | year = 2007
 | isbn = 978-0-521-03541-5
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2021-01-26
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210126003319/https://books.google.com/books?id=TuMa5lAa3RAC&pg=PA4
 | url-status = live
 }}</ref>、放電に必要な電位は摩擦帯電効果によって発生することができる<ref>{{cite journal
 | last1 = Freeman | first1 = G.R.
 | last2 = March | first2 = N.H.
 | year = 1999
 | title = Triboelectricity and some associated phenomena
 | journal = [[:en:Materials Science and Technology (journal)|Materials Science and Technology]]
 | volume = 15 | issue = 12 | pages = 1454–1458
 | doi =10.1179/026708399101505464
| bibcode = 1999MatST..15.1454F
 }}</ref><ref>{{cite journal
 | last1 = Forward | first1 = K.M.
 | last2 = Lacks | first2 = D.J.
 | last3 = Sankaran | first3 = R.M.
 | year = 2009
 | title = Methodology for studying particle–particle triboelectrification in granular materials
 | journal = [[:en:Journal of Electrostatics|Journal of Electrostatics]]
 | volume = 67 | issue = 2–3 | pages = 178–183
 | doi =10.1016/j.elstat.2008.12.002
}}</ref>。]]
もしある物体の電子数が、原子核の正電荷と釣り合うために必要な電子数よりも多いか少ない場合、その物体は正味の電荷を持っている。もし電子が過剰な場合、その物体は負に帯電しているという。一方、電子数が原子核の陽子数より少ない場合、その物体は正に帯電しているという。電子数と陽子数が等しい場合、それらの電荷は互いに打ち消し合い、その物体は電気的に中性であるという。巨視的な物体は、[[摩擦帯電|摩擦帯電効果]]により、摩擦によって電荷を発生することがある<ref>{{cite book
 | last = Weinberg | first = S.
 | title = The Discovery of Subatomic Particles
 | url = https://archive.org/details/discoveryofsubat00wein_0/page/15
 | url-access = registration | pages =15–16
 | publisher = Cambridge University Press | year = 2003
 | isbn = 978-0-521-82351-7
}}</ref>。

真空中を移動する独立した電子は自由電子と呼ばれる。[[金属]]中の電子もまた、自由であるかのようにふるまう。実際には、金属やその他の固体内で一般に電子と呼ばれている粒子は準電子（[[準粒子]]の一種）であって、真の電子と同じ電荷、スピン、磁気モーメントを持つが、質量が異なる可能性がある<ref name="Liang-fu Lou">{{cite book
 | last = Lou
 | first = L.-F.
 | title = Introduction to phonons and electrons
 | url = https://books.google.com/books?id=XMv-vfsoRF8C&pg=PA162
 | pages = 162, 164
 | publisher = [[:en:World Scientific|World Scientific]]
 | year = 2003
 | isbn = 978-981-238-461-4
 | bibcode = 2003ipe..book.....L
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071149/https://books.google.com/books?id=XMv-vfsoRF8C&pg=PA162
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 }}</ref>。真空中でも金属中でも、自由電子が移動すると、[[電流]]と呼ばれる電荷の[[フローネットワーク|正味の流れ]]が生じ、磁場が発生する。反対に、磁場の変化は電流を発生させることができる。これらの相互作用は、[[マクスウェルの方程式|マクスウェル方程式]]によって数学的に記述される<ref>{{cite book
 | last1 = Guru
 | first1 = B.S.
 | last2 = Hızıroğlu
 | first2 = H.R.
 | title = Electromagnetic Field Theory
 | url = https://books.google.com/books?id=b2f8rCngSuAC&pg=PA138
 | pages = 138, 276
 | publisher = Cambridge University Press
 | year = 2004
 | isbn = 978-0-521-83016-4
 }}{{Dead link|date=November 2023 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}</ref>。

物質はそれぞれ、ある[[温度]]において[[電位]]が印加されたときの電流値を決定する[[電気伝導率]]{{Enlink|Electrical resistivity and conductivity|英語版|en}}という特性を持つ。良導体の例としては銅や金などの金属があげられ、ガラスや[[テフロン]]は不良導体である。[[誘電体]]物質の場合、電子はそれぞれの原子に束縛されたままであり、その物質は[[絶縁体]]としてふるまう。ほとんどの[[半導体]]の伝導率は導電性と絶縁性の両極端の中間に位置し、その大きさは制御可能である<ref>{{cite book
 | last1 = Achuthan
 | first1 = M.K.
 | last2 = Bhat
 | first2 = K.N.
 | title = Fundamentals of Semiconductor Devices
 | url = https://books.google.com/books?id=REQkwBF4cVoC&pg=PA49
 | pages = 49–67
 | publisher = [[:en:Tata McGraw-Hill|Tata McGraw-Hill]]
 | year = 2007
 | isbn = 978-0-07-061220-4
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2021-01-07
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160319/https://books.google.com/books?id=REQkwBF4cVoC&pg=PA49
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 }}</ref>。一方、[[金属結合|金属]]では、その[[バンド構造|電子バンド構造]]には部分的に充填されたバンドが含まれる。金属中の電子が自由電子（[[非局在化電子|非局在電子]]）であるかのようにふるまうことができるのはそのようなバンドがあるためである。金属中の電子は特定の原子と結びついていないので、電場が印加されると気体分子（[[フェルミ気体]]という<ref name="ziman">{{cite book
 | last = Ziman
 | first = J.M.
 | title = Electrons and Phonons: The Theory of Transport Phenomena in Solids
 | url = https://books.google.com/books?id=UtEy63pjngsC&pg=PA260
 | publisher = Oxford University Press
 | year = 2001
 | page = 260
 | isbn = 978-0-19-850779-6
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-24
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220224105543/https://books.google.com/books?id=UtEy63pjngsC&pg=PA260
 | url-status = live
 }}</ref>）のように自由に移動することができる。

導体中の電子は原子と衝突しながらおよそ秒速数ミリメートルの{{Ill2|ドリフト速度|en|Drift velocity}}で進む。しかし、物質内のある点における電流を変化させたときほかの点にその変化が伝わるまでの速度、すなわち{{Ill2|伝播速度|en|Velocity factor|label=伝搬速度}}は光速の約75%に達するのが一般的である<ref>{{cite journal
 | last = Main
 | first = P.
 | date = June 12, 1993
 | title = When electrons go with the flow: Remove the obstacles that create electrical resistance, and you get ballistic electrons and a quantum surprise
 | journal = [[:en:New Scientist|New Scientist]]
 | volume = 1887
 | page = 30
 | url = https://www.newscientist.com/article/mg13818774.500-when-electrons-go-with-the-flow-remove-the-obstacles-thatcreate-electrical-resistance-and-you-get-ballistic-electrons-and-a-quantumsurprise.html
 | access-date = 2008-10-09
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2015-02-11
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20150211085229/http://www.newscientist.com/article/mg13818774.500-when-electrons-go-with-the-flow-remove-the-obstacles-thatcreate-electrical-resistance-and-you-get-ballistic-electrons-and-a-quantumsurprise.html
 | url-status = live
 }}</ref>。その理由は、電気信号が波として伝播し、その速度は物質の[[比誘電率|誘電率]]に依存することによる<ref>{{cite book
 | last = Blackwell
 | first = G.R.
 | title = The Electronic Packaging Handbook
 | url = https://books.google.com/books?id=D0PBG53PQlUC&pg=SA6-PA39
 | pages = 6.39–6.40
 | publisher = [[:en:CRC Press|CRC Press]]
 | year = 2000
 | isbn = 978-0-8493-8591-9
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204083743/https://books.google.com/books?id=D0PBG53PQlUC&pg=SA6-PA39
 | url-status = live
 }}</ref>。

金属は比較的優れた熱伝導体である。その主な理由は、非局在電子が原子間で熱エネルギーを自由に伝達できることにある。ただし、金属の[[電気抵抗率]]が結晶格子の熱的乱れによって増加するのに対し<ref name="durrant">{{cite book
 | last = Durrant
 | first = A.
 | title = Quantum Physics of Matter: The Physical World
 | url = https://books.google.com/books?id=F0JmHRkJHiUC&pg=PA43
 | pages = 43, 71–78
 | publisher = CRC Press
 | year = 2000
 | isbn = 978-0-7503-0721-5
 | access-date = 2015-10-16
 | archive-date = 2016-05-27
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20160527150628/https://books.google.com/books?id=F0JmHRkJHiUC&pg=PA43
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 }}</ref>、[[熱伝導率]]は温度にほとんど依存しない。このことは、熱伝導率と電気伝導率の比が温度に比例するという[[ウィーデマン・フランツの法則]]によって数学的に表される<ref name="ziman" />。

物質は、[[臨界点|臨界温度]]と呼ばれる温度以下に冷却されると、[[相転移]]を起こして電流に対する抵抗を完全に失うことがある。この過程は[[超伝導]]と呼ばれる。[[BCS理論]]によると、超伝導体の中では、[[クーパー対]]と呼ばれる電子対の運動が[[フォノン]]と呼ばれる[[格子振動]]を介して近くの物質と結合することで、電気抵抗を生じる原因となる原子との衝突が回避されている<ref>{{cite web
 | title = The Nobel Prize in Physics 1972
 | publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 | year = 2008
 | url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1972/
 | access-date = 2008-10-13
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-10-11
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20081011050516/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1972/
 | url-status = live
 }}</ref>。クーパー対の半径はおよそ100&nbsp;nmなので、互いに重なり合うことができる<ref>{{cite journal
 | last = Kadin | first = A.M.
 | title = Spatial Structure of the Cooper Pair
 | journal = [[:en:Journal of Superconductivity and Novel Magnetism|Journal of Superconductivity and Novel Magnetism]]
 | year = 2007
 | volume = 20 | issue = 4 | pages = 285–292
 | arxiv = cond-mat/0510279
 | doi =10.1007/s10948-006-0198-z
| s2cid = 54948290
 }}</ref>。しかしながら、[[高温超伝導]]（参考: {{Ill2|非従来型超電導体|en|Unconventional superconductor|label=}}）がどのような仕組みで起こるのかは、依然として不明である。

導電性固体内の電子はそれ自体が準粒子であるが、[[絶対零度]]に近い温度で密に閉じ込められると、あたかも{{Ill2|スピノン|en|Spinon}}、{{Ill2|オービトン|en|Orbiton}}、{{Ill2|ホロン (物理学)|en|Holon (physics)|label=ホロン}}という3つの[[準粒子]]に分裂したかのようにふるまう<ref>{{cite web
 | title = Discovery about behavior of building block of nature could lead to computer revolution
 | date = July 31, 2009
 | website = [[:en:Science Daily|ScienceDaily]]
 | url = https://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090730141607.htm
 | access-date = 2009-08-01
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2019-04-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20190404130054/https://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090730141607.htm
 | url-status = live
 }}</ref><ref>{{cite journal
 | last1 = Jompol | first1 = Y.  |display-authors=etal
 | year = 2009
 | title = Probing Spin-Charge Separation in a Tomonaga-Luttinger Liquid
 | journal = [[:en:Science (journal)|Science]]
 | volume = 325 | issue = 5940 | pages = 597–601
 | doi =10.1126/science.1171769
 | pmid =19644117 | bibcode = 2009Sci...325..597J |arxiv = 1002.2782
| s2cid = 206193 }}</ref>。スピノンはスピンと磁気モーメントを、オービトンは軌道自由度を、ホロンは電荷をそれぞれ担う。

=== 運動とエネルギー ===
[[アルベルト・アインシュタイン|アインシュタイン]]の[[特殊相対性理論|特殊相対性]]理論によると、電子の速度が[[光の速さ]]に近づくにつれて、観測者から見た電子の{{Ill2|特殊相対論における質量|en|Mass in special relativity|label=相対論的質量}}は増加し、それによって観測者の座標系において電子を加速することはますます困難になる。電子の速度は真空中の光速 ''c'' に近づくことはできるが、到達することはない。しかし、相対論的な電子、つまり ''c'' に近い速度で運動する電子が、水のように局所的な光速が ''c'' より大幅に小さい誘電体媒質に注入されると、電子は一時的にその媒体における光速よりも速く運動する。その電子が媒質と相互作用すると、[[チェレンコフ放射]]と呼ばれる微弱な光を発生させる<ref>{{cite web
 | title = The Nobel Prize in Physics 1958, for the discovery and the interpretation of the Cherenkov effect
 | publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 | year = 2008
 | url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1958/
 | access-date = 2008-09-25
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-10-18
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 | url-status = live
 }}</ref>。
[[File:Lorentz factor.svg|thumb|right|alt=The plot starts at zero and curves sharply upward toward the right|速度の関数としてのローレンツ係数。その値は1から始まり、''v''  が ''c'' に近づくにつれて無限大になる。]]
特殊相対性理論の効果は[[ローレンツ因子]]として知られる量に基づいている。ローレンツ因子は ''v'' を粒子の速度として <math>\scriptstyle\gamma=1/ \sqrt{ 1-{v^2}/{c^2} }</math> で定義される。速度 ''v'' で移動する電子の運動エネルギー ''K''<sub>e</sub> は
:<math>\displaystyle K_{\mathrm{e}} = (\gamma - 1)m_{\mathrm{e}} c^2</math>
と表される。''m''<sub>e</sub> は電子の質量である。たとえば、[[スタンフォード線形加速器センター|スタンフォード線形加速器]]は電子を約51&nbsp;GeVまで加速することができる<ref>{{cite web
 | date = August 26, 2008
 | title = Special Relativity
 | publisher = [[:en:SLAC National Accelerator Laboratory|Stanford Linear Accelerator Center]]
 | url = https://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/relativity.html
 | access-date = 2008-09-25
 | df = dmy-all
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 | archive-url = https://web.archive.org/web/20080828113927/http://www2.slac.stanford.edu/VVC/theory/relativity.html
 | url-status = live
 }}</ref>。電子は波としてふるまうので、速度に対応して特徴的な[[ド・ブロイ波長]]を持つ。ド・ブロイ波長は ''h'' を[[プランク定数]]、''p'' を運動量として ''λ''<sub>e</sub>&nbsp;=&nbsp;''h''/''p'' で与えられる<ref name="de_broglie" />。前述した 51&nbsp;GeVの電子の場合、その波長は約{{val|2.4|e=-17|u=m}}で、原子核の大きさよりもはるかに小さな構造を探索するのに十分に短い<ref>{{cite book
 | last = Adams
 | first = S.
 | title = Frontiers: Twentieth Century Physics
 | url = https://books.google.com/books?id=yIsMaQblCisC&pg=PA215
 | page = 215
 | publisher = [[:en:CRC Press|CRC Press]]
 | year = 2000
 | isbn = 978-0-7484-0840-5
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071142/https://books.google.com/books?id=yIsMaQblCisC&pg=PA215
 | url-status = live
 }}</ref>。

== 形成 ==
[[File:Pair production.png|right|thumb|alt=A photon approaches the nucleus from the left, with the resulting electron and positron moving off to the right|光子が原子核に接近することによって起こる電子と陽電子の[[対生成]]の模式図。稲妻の記号は仮想光子の交換を表し、それにより電気力が作用する。粒子間の角度は非常に小さい<ref>{{cite book
 |title=Selected Exercises in Particle and Nuclear Physics
 |first1=Lorenzo
 |last1=Bianchini
 |publisher=Springer
 |year=2017
 |isbn=978-3-319-70494-4
 |page=79
 |url=https://books.google.com/books?id=lktADwAAQBAJ&pg=PA79
 |access-date=2018-04-20
 |archive-date=2020-01-02
 |archive-url=https://web.archive.org/web/20200102022221/https://books.google.com/books?id=lktADwAAQBAJ&pg=PA79
 |url-status=live
 }}</ref>。]]

[[ビッグバン]]理論は[[宇宙の進化]]の初期段階を説明する[[科学理論]]として最も広く受け入れられている<ref>{{cite book
 | last = Lurquin | first = P.F.
 | title = The Origins of Life and the Universe
 | url=https://archive.org/details/originsoflifet00paul/page/2 |url-access=registration |page=2
 | publisher = Columbia University Press | year = 2003
 | isbn = 978-0-231-12655-7
}}</ref>。ビッグバンの最初の1ミリ秒では、温度は100億[[ケルビン]]を超え、光子の平均エネルギーは100万[[電子ボルト]]を超えていた。これらの光子は、互いに反応して電子と陽電子の対を形成するのに十分なエネルギーを持っていた。同様に、陽電子－電子対は互いに[[対消滅]]し、高エネルギー光子を放出した。
: {{SubatomicParticle|光子<!-- photon -->|link=yes}} + {{SubatomicParticle|光子<!-- photon -->}} ↔ {{SubatomicParticle|e+<!-- positron -->|link=yes}} + {{SubatomicParticle|e<!-- electron -->}}

宇宙の進化のこの段階においては、電子、陽電子、光子の間の平衡が保たれていた。しかし、15秒が経過すると、宇宙の温度は電子－陽電子対生成が起こりうる閾値を下回った。生き残った電子－陽電子のほとんどは互いに消滅し、ガンマ線を放出して宇宙を一時的に再加熱した<ref>{{cite book
 | last = Silk | first = J.
 | title = The Big Bang: The Creation and Evolution of the Universe
 | pages = 110–112, 134–137
 | publisher = Macmillan | edition = 3rd | year = 2000
 | isbn = 978-0-8050-7256-3
}}</ref>。

理由は不明であるが、この消滅の過程で粒子が反粒子よりも過剰になった。そのため、およそ10億対の電子－陽電子当たり1個の電子が生き残った。{{Ill2|バリオン非対称性|en|Baryon asymmetry}}として知られる条件により、電子の過剰分は反陽子に対する陽子の過剰分と等しく、その結果として宇宙の正味の電荷はゼロとなった<ref>{{cite journal
 | last1 = Kolb
 | first1 = E.W.
 | last2 = Wolfram
 | first2 = Stephen
 | year = 1980
 | title = The Development of Baryon Asymmetry in the Early Universe
 | journal = [[:en:Physics Letters B|Physics Letters B]]
 | volume = 91
 | issue = 2
 | pages = 217–221
 | doi = 10.1016/0370-2693(80)90435-9
 | bibcode = 1980PhLB...91..217K
 | s2cid = 122680284
 | url = https://authors.library.caltech.edu/99675/2/Development%20of%20Baryon%20Asymmetry%20in%20the%20Early%20Universe.pdf
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2020-10-30
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20201030105942/https://authors.library.caltech.edu/99675/2/Development%20of%20Baryon%20Asymmetry%20in%20the%20Early%20Universe.pdf
 | url-status = live
 }}</ref><ref>{{cite web
 | last = Sather
 | first = E.
 | date = Spring–Summer 1996
 | title = The Mystery of Matter Asymmetry
 | url = https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/26/1/26-1-sather.pdf
 | periodical = [[:en:Beam Line|Beam Line]]
 | publisher = Stanford University
 | access-date = 2008-11-01
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-10-12
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20081012012543/http://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/26/1/26-1-sather.pdf
 | url-status = live
 }}</ref>。生き残った陽子と中性子は、[[元素合成]]と呼ばれる過程で互いに反応し始め、水素と[[ヘリウム]]の同位体、そして微量の[[リチウム]]を形成した。この過程は約5分後にピークに達した<ref>{{cite arXiv
 | last1 = Burles | first1 = S.
 | last2 = Nollett | first2 = K.M.
 | last3 = Turner | first3 = M.S.
 | year = 1999
 | title = Big-Bang Nucleosynthesis: Linking Inner Space and Outer Space
 |eprint=astro-ph/9903300
}}</ref>。反応しなかった中性子はすべて、半減期が約1,000秒の[[ベータ崩壊|負のベータ崩壊]]を起こし、
:{{SubatomicParticle|n<!-- Neutron -->|link=yes}} → {{SubatomicParticle|p<!-- Proton -->|link=yes}} + {{SubatomicParticle|e<!-- Electron -->}} + {{SubatomicParticle|反νe<!-- Electron antineutrino -->|link=yes}}
という過程で陽子と電子を放出した。その後、約30万-40万年の間、過剰な電子は[[原子核]]と結合するにはエネルギーが高すぎるままであった<ref>{{cite journal
 | last1 = Boesgaard | first1 = A.M.
 | last2 = Steigman | first2 = G.
 | year = 1985
 | title = Big bang nucleosynthesis&nbsp;– Theories and observations
 | journal = [[:en:Annual Review of Astronomy and Astrophysics|Annual Review of Astronomy and Astrophysics]]
 | volume = 23 | issue = 2 | pages = 319–378
 | bibcode =1985ARA&A..23..319B
 | doi =10.1146/annurev.aa.23.090185.001535
}}</ref>。その後に「[[再結合 (宇宙論)|再結合期]]」と呼ばれる時代が訪れ、中性原子（陽子と同数の電子が結合した原子）が形成されて、膨張する宇宙を光子が直進できるようになった<ref name="science5789">{{cite journal
 | last = Barkana | first = R.
 | year = 2006
 | title = The First Stars in the Universe and Cosmic Reionization
 | journal = [[:en:Science (journal)|Science]]
 | volume = 313 | issue = 5789 | pages = 931–934
 | doi =10.1126/science.1125644
 | pmid =16917052 |arxiv = astro-ph/0608450
 | bibcode = 2006Sci...313..931B | citeseerx = 10.1.1.256.7276
| s2cid = 8702746
 }}</ref>。

ビッグバンからおよそ100万年後、第一世代の[[恒星]]が形成され始めた<ref name="science5789" />。恒星内では、[[恒星内元素合成]]によって、原子核の核融合から陽電子が作り出される。反物質粒子である陽電子は直ちに電子と対消滅し、ガンマ線を放出する。その結果電子は減少を続け、それと同数だけ中性子は増加した。その一方で、[[恒星進化論|恒星の進化]]の過程で放射性同位元素が合成されることがあり、その一部はベータ崩壊を起こして電子と反ニュートリノを放出する<ref>{{cite journal | last1 = Burbidge | first1 = E.M. | display-authors = etal | year = 1957 | title = Synthesis of Elements in Stars | journal = [[:en:Reviews of Modern Physics|Reviews of Modern Physics]] | volume = 29 | issue = 4 | pages = 548–647 | doi = 10.1103/RevModPhys.29.547 | bibcode = 1957RvMP...29..547B | url = https://authors.library.caltech.edu/45747/1/BURrmp57.pdf | doi-access = free | access-date = 2019-06-21 | archive-date = 2018-07-23 | archive-url = https://web.archive.org/web/20180723054833/https://authors.library.caltech.edu/45747/1/BURrmp57.pdf | url-status = live }}</ref>。一例として、[[コバルト60]]（{{SimpleNuclide|Cobalt|60}}）同位体があり、崩壊して[[ニッケル60]]（{{SimpleNuclide|Nickel|60}}）を生成する<ref>{{cite journal
 | last1 = Rodberg | first1 = L.S.
 | last2 = Weisskopf | first2 = V.
 | year = 1957
 | title = Fall of Parity: Recent Discoveries Related to Symmetry of Laws of Nature
 | journal = [[:en:Science (journal)|Science]]
 | volume = 125 | issue = 3249 | pages = 627–633
 | doi =10.1126/science.125.3249.627 | pmid =17810563
 | bibcode = 1957Sci...125..627R }}</ref>。

[[File:AirShower.svg|left|thumb|alt=A branching tree representing the particle production|地球大気に衝突した高エネルギー宇宙線によって生成した広域[[空気シャワー]]]]
約20[[太陽質量]]を超える恒星は、寿命が尽きると[[重力崩壊]]を起こして[[ブラックホール]]を形成することがある<ref>{{cite journal
 | last = Fryer | first = C.L.
 | year = 1999
 | title = Mass Limits For Black Hole Formation
 | journal = [[:en:The Astrophysical Journal|The Astrophysical Journal]]
 | volume = 522 | issue = 1 | pages = 413–418
 | bibcode = 1999ApJ...522..413F
 | doi =10.1086/307647
|arxiv = astro-ph/9902315 | s2cid = 14227409
 }}</ref>。[[古典物理学]]によれば、このような巨大な天体は強い[[重力|引力]]を及ぼすため、[[シュワルツシルト半径]]の内側にあるものはたとえ電磁放射線であろうとも逃れられない。ただし、量子力学的効果により、ブラックホールから[[ホーキング放射]]が放出される可能性があると考えられている。これらの[[コンパクト天体|恒星の残骸]]の[[事象の地平面]]で電子（および陽電子）が生成されると考えられている{{要出典|date=2024年6月}}。

事象の地平面近傍で一対の仮想粒子（電子と陽電子など）が作られるとき、無作為な空間的位置関係によって、それらの一つが地平面の外に出現する可能性がある。このプロセスは[[量子トンネル]]と呼ばれる。ブラックホールの[[重力ポテンシャル]]は、この仮想粒子を現実の粒子に変換するエネルギーを供給し、宇宙空間に放射することを可能とする<ref>{{cite journal
 |last1   = Parikh |first1  = M.K.
 |last2   = Wilczek |first2  = F.
 |year    = 2000
 |title   = Hawking Radiation As Tunneling
 |journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
 |volume  = 85 |issue   = 24 |pages   = 5042–5045
 |doi = 10.1103/PhysRevLett.85.5042 |pmid = 11102182 |hdl = 1874/17028
 |bibcode = 2000PhRvL..85.5042P |arxiv = hep-th/9907001
|s2cid = 8013726
 }}</ref>。その代わりに、対のもう片方には負のエネルギーが与えられ、その結果、ブラックホールから質量エネルギーが正味で失われる。ホーキング放射の強度は質量が小さくなるにつれて増加し、最終的には[[ブラックホールの蒸発|ブラックホールが蒸発]]していき、ついには爆発する<ref>{{cite journal
 | last = Hawking | first = S.W.
 | year = 1974
 | title = Black hole explosions?
 | journal = [[:en:Nature (journal)|Nature]]
 | volume = 248 | issue=5443 | pages = 30–31
 | doi =10.1038/248030a0 |bibcode = 1974Natur.248...30H
| s2cid = 4290107
 }}</ref>。

[[宇宙線]]は、高エネルギーで宇宙空間を移動する粒子である。{{val|3.0|e=20|u=eV}}もの高エネルギー事象が記録されている<ref>{{cite journal
 | last1 = Halzen | first1 = F. | author-link1 = Francis Halzen
 | last2 = Hooper | first2 = D.
 | year = 2002
 | title = High-energy neutrino astronomy: the cosmic ray connection
 | journal = [[:en:Reports on Progress in Physics|Reports on Progress in Physics]]
 | volume = 66 | issue = 7 | pages = 1025–1078
 | bibcode = 2002RPPh...65.1025H |arxiv = astro-ph/0204527
 | doi =10.1088/0034-4885/65/7/201
| s2cid = 53313620 }}</ref>。これらの粒子が[[地球大気]]の分子の核子と衝突すると、[[パイ中間子]]を含む粒子の[[空気シャワー|シャワー]]が発生する<ref>{{cite journal
 | last = Ziegler | first = J.F.
 | year = 1998
 | title = Terrestrial cosmic ray intensities
 | journal = [[:en:IBM Journal of Research and Development|IBM Journal of Research and Development]]
 | volume = 42 | issue = 1 | pages = 117–139
 | doi =10.1147/rd.421.0117 | bibcode = 1998IBMJ...42..117Z
}}</ref>。地球の表面から観測される宇宙放射線の半分以上は[[ミュー粒子]]である。ミュー粒子は、パイ中間子の崩壊によって高層大気で生成されるレプトンである。
:{{SubatomicParticle|π-<!-- Pion- -->|link=yes}} → {{SubatomicParticle|μ<!-- Muon -->|link=yes}} + {{SubatomicParticle|反νμ<!-- Muon antineutrino -->|link=yes}}
ミュー粒子はさらに崩壊して電子または陽電子を形成することがある<ref>{{cite news
 | last = Sutton
 | first = C.
 | date = August 4, 1990
 | title = Muons, pions and other strange particles
 | url = https://www.newscientist.com/article/mg12717284.700-muons-pions-and-other-strange-particles-.html
 | magazine = [[:en:New Scientist|New Scientist]]
 | access-date = 2008-08-28
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2015-02-11
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20150211085842/http://www.newscientist.com/article/mg12717284.700-muons-pions-and-other-strange-particles-.html
 | url-status = live
 }}</ref>。
:{{SubatomicParticle|μ<!-- Muon -->}} → {{SubatomicParticle|e<!-- Electron -->}} + {{SubatomicParticle|反νe<!-- Electron antineutrino -->|link=yes}} + {{SubatomicParticle|νμ<!-- Muon neutrino -->|link=yes}}

== 観測 ==
[[File:Aurore australe - Aurora australis.jpg|right|thumb|alt=A swirling green glow in the night sky above snow-covered ground|[[オーロラ]]は主に、大気中に放出された高エネルギー電子によって起こる<ref>{{cite press release
 |last=Wolpert |first=S.
 |date=July 24, 2008
 |title=Scientists solve 30&nbsp;year-old aurora borealis mystery
 |publisher=University of California
 |url=https://www.universityofcalifornia.edu/news/article/18277
 |url-status=dead |access-date=2008-10-11 |df=dmy-all
 |archive-url=https://web.archive.org/web/20080817094058/https://www.universityofcalifornia.edu/news/article/18277
 |archive-date=August 17, 2008
}}</ref>。]]
電子の遠隔観測を行うには、その放射エネルギーを検出する必要がある。たとえば、{{Ill2|恒星コロナ|en|Stellar corona}}のような高エネルギー環境では、自由電子が[[プラズマ]]を形成し、[[制動放射]]によってエネルギーを放射する。電子ガスは、[[プラズマ振動]]（電子密度の同期変動によって引き起こされる波）を起こす場合があり、このとき生成するエネルギー放射は[[電波望遠鏡]]で検出できる<ref>{{cite journal
 | last1 = Gurnett | first1 = D.A.
 | last2 = Anderson | first2 = R.
 | year = 1976
 | title = Electron Plasma Oscillations Associated with Type III Radio Bursts
 | journal = [[:en:Science (journal)|Science]]
 | volume = 194 | issue = 4270 | pages = 1159–1162
 | doi =10.1126/science.194.4270.1159 | pmid =17790910
 | bibcode = 1976Sci...194.1159G | s2cid = 11401604
 }}</ref>。

[[光子]]の[[周波数]]はそのエネルギーに比例する。原子に束縛された電子が異なる[[エネルギー準位]]間を遷移するとき、特徴的な周波数の光子の吸収または放出を伴う。たとえば、原子に広いスペクトルの光を照射すると、透過した光のスペクトル中には明瞭な[[スペクトル線|暗線]]が現れ、その位置が準位間遷移によって吸収される周波数に対応する。元素や分子はいずれも特徴的なスペクトル線の組を持つ。[[水素スペクトル系列|水素のスペクトル系列]]は一例である。スペクトル線が検出されれば、その強さと幅を[[分光学]]的に測定することで、物質の組成と物理的性質を決定することができる<ref>{{cite web
 | last1 = Martin
 | first1 = W.C.
 | last2 = Wiese
 | first2 = W.L.
 | year = 2007
 | title = Atomic Spectroscopy: A compendium of basic ideas, notation, data, and formulas
 | publisher = [[:en:National Institute of Standards and Technology|National Institute of Standards and Technology]]
 | access-date = 2007-01-08
 | df = dmy-all
 | url = https://physics.nist.gov/Pubs/AtSpec/
 | archive-date = 2007-02-08
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20070208113156/http://physics.nist.gov/Pubs/AtSpec/
 | url-status = live
 }}</ref><ref>{{cite book
 | last = Fowles
 | first = G.R.
 | title = Introduction to Modern Optics
 | pages = 227–233
 | publisher = [[:en:Courier Dover|Courier Dover]]
 | year = 1989
 | isbn = 978-0-486-65957-2
 | url = https://books.google.com/books?id=SL1n9TuJ5YMC&pg=PA227
 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2021-01-07
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210107160307/https://books.google.com/books?id=SL1n9TuJ5YMC&pg=PA227
 | url-status = live
 }}</ref>。

実験室の条件下では、エネルギー、スピン、電荷などの特定の特性を測定できる[[粒子検出器]]を用いて、個々の電子の相互作用を観察することができる<ref name="grupen">{{cite journal
 | last = Grupen | first = C.
 | year = 2000
 | title = Physics of Particle Detection
 | journal = [[:en:AIP Conference Proceedings|AIP Conference Proceedings]]
 | volume = 536 | pages = 3–34
 | doi =10.1063/1.1361756 |arxiv = physics/9906063
 | bibcode = 2000AIPC..536....3G
| s2cid = 119476972
 }}</ref>。[[四重極イオントラップ|パウル・トラップ]]と{{Ill2|ペニング・トラップ|en|Penning trap}}が開発されると、荷電粒子を小さな領域内に長時間閉じ込めることが可能になり、粒子の性質を精密に測定できるようになった。ペニング・トラップを使用して単一の電子を10ヶ月にわたって捕捉し続けた例がある<ref name="nobel1989">{{cite web
 | title = The Nobel Prize in Physics 1989
 | publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
 | year = 2008
 | url = https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1989/illpres/
 | access-date = 2008-09-24
 | df = dmy-all
 | archive-date = 2008-09-28
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20080928042325/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1989/illpres/
 | url-status = live
 }}</ref>。電子の磁気モーメントは11桁の精度で測定されており、これは1980年当時、他のどの物理定数よりも高い精度であった<ref>{{cite journal
 | last1 = Ekstrom
 | first1 = P.
 | last2 = Wineland
 | first2 = David
 | year = 1980
 | title = The isolated Electron
 | journal = [[:en:Scientific American|Scientific American]]
 | volume = 243
 | issue = 2
 | pages = 91–101
 | url = https://tf.nist.gov/general/pdf/166.pdf
 | access-date = 2008-09-24
 | df = dmy-all
 | doi = 10.1038/scientificamerican0880-104
 | bibcode = 1980SciAm.243b.104E
 | archive-date = 2019-09-16
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20190916211444/https://tf.nist.gov/general/pdf/166.pdf
 | url-status = live
 }}</ref>。

2008年2月、スウェーデンの[[ルンド大学]]のチームが、電子のエネルギー分布を初めて動画として記録した。この研究では[[アト秒]]パルスと呼ばれる極めて短い閃光によって電子の運動が初めて観測された<ref>{{cite web
 | last = Mauritsson | first = J.
 | title = Electron filmed for the first time ever
 | url = https://www.atto.fysik.lth.se/video/pressrelen.pdf
 | publisher = [[:en:Lund University|Lund University]]
 | access-date = 2008-09-17 |df=dmy-all
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20090325194101/https://www.atto.fysik.lth.se/video/pressrelen.pdf
 | archive-date = March 25, 2009
}}</ref><ref name="Mauritsson">{{cite journal
 | last1 = Mauritsson | first1 = J. |display-authors=etal
 | year = 2008
 | title = Coherent Electron Scattering Captured by an Attosecond Quantum Stroboscope
 | journal = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
 | volume = 100 | issue = 7 | page = 073003
 | doi =10.1103/PhysRevLett.100.073003 | bibcode=2008PhRvL.100g3003M
 | pmid=18352546 | arxiv = 0708.1060| s2cid = 1357534 }}</ref>。（参考: {{Ill2|アト秒物理学|en|Attosecond physics}}）

固体物質中の電子状態は[[角度分解光電子分光|角度分解光電子分光法]]（ARPES）によって可視化することができる。ARPESは光電効果を利用して電子の運動量とエネルギーの分布を測定する技術である<ref>{{cite journal
 | last = Damascelli | first = A.
 | year = 2004
 | title = Probing the Electronic Structure of Complex Systems by ARPES
 | journal = [[:en:Physica Scripta|Physica Scripta]]
 | volume = T109 | pages = 61–74
 | doi =10.1238/Physica.Topical.109a00061
 | arxiv = cond-mat/0307085 |bibcode = 2004PhST..109...61D | s2cid = 21730523
 }}</ref>。

== 応用 ==
{{See also|電子工学|電気工学}}
<!-- この節が肥大化しないようにお願いします。独立した記事がある分野についてはSee also テンプレートの利用を検討してください。 -->

=== 粒子線 ===
[[File:Nasa Shuttle Test Using Electron Beam full.jpg|right|thumb|alt=A violet beam from above produces a blue glow about a Space shuttle model|[[アメリカ航空宇宙局|NASA]]の[[風洞]]実験では、[[スペースシャトル]]の模型に電子線を照射し、[[大気圏再突入]]時の[[電離気体]]の影響を模擬実験している<ref>{{cite web
 |title=Image # L-1975-02972
 |department=[[:en:Langley Research Center|Langley Research Center]]
 |publisher= [[:en:NASA|NASA]] |date=April 4, 1975
 |url=https://grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2000-003012.html
 |url-status=dead |access-date=2008-09-20 |df=dmy-all
 |archive-url=https://web.archive.org/web/20081207041522/https://grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2000-003012.html
 |archive-date=December 7, 2008
}}</ref>。]]

[[電子線]]は[[電子ビーム溶接|溶接]]に使われる<ref>{{cite web
 | last = Elmer | first = J.
 | title = Standardizing the Art of Electron-Beam Welding
 | publisher=[[:en:Lawrence Livermore National Laboratory|Lawrence Livermore National Laboratory]]
 | date=March 3, 2008
 | url = https://www.llnl.gov/str/MarApr08/elmer.html
 |url-status=dead | access-date = 2008-10-16 |df=dmy-all
 | archive-url=https://web.archive.org/web/20080920142328/https://www.llnl.gov/str/MarApr08/elmer.html
 |archive-date=2008-09-20}}</ref>。この手法は、{{nowrap|0.1–1.3 mm}}の狭い焦点径で最大{{val|e=7|u=W·cm<sup>−2</sup>}}のエネルギー密度を可能にし、{{Ill2|溶加材|en|Filler metal}}を通常必要としない。この溶接技術は、電子がターゲットに到達する前にガスと相互作用するのを防ぐために真空中で行わなければならないが、他の溶接方法が適さないとされる導電性物質の接合にも使用できる<ref>{{cite book
 | last = Schultz
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 }}</ref><ref>{{cite book
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 | title = Nontraditional Manufacturing Processes
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 | url-status = live
 }}</ref>。

[[電子線リソグラフィ]]（EBL）は、半導体を数[[ナノメートル]]までの分解能でエッチングする方法である<ref>{{cite journal
 | last = Manfrinato| first = Vitor R.| last2= et al.
 | title = Resolution limits of electron-beam lithography towards the atomic scale | pages = 1555–1558
 | journal = Nano Letters
 | date = 2013|volume=13|issue=4
 | doi = 10.1021/nl304715p}}</ref>。この技術の制限として、高コスト、低速、電子線の操作は真空中で行う必要があること、固体中で電子線が散乱しやすいことなどがあげられる。固体中散乱の問題のために分解能は約10&nbsp;nmに制限される。このため、EBLは主に少数の特殊な[[集積回路]]の製造に使用される<ref>{{cite book
 | last = Madou
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 | title = Fundamentals of Microfabrication: the Science of Miniaturization
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 | url-status = live
 }}</ref>。

{{Ill2|電子線加工|en|Electron-beam processing}}は、物質の物理的特性を変化させたり、医療製品や食品を[[殺菌|滅菌]]するために使用される<ref>{{cite conference
 | last1 = Jongen | first1 = Y.
 | last2 = Herer | first2 = A.
 | title=[no title cited]
 | conference = Electron Beam Scanning in Industrial Applications
 | department = APS/AAPT Joint Meeting
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 | publisher = [[:en:American Physical Society|American Physical Society]]
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}}</ref>。ガラス状の物質に電子線を照射すると、一部の化学結合を切断して流動性を高めることができる<ref>{{cite journal
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 | year = 2010
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 | bibcode = 2010JNuM..396..264M }}</ref>。

{{Ill2|線形粒子加速器|en|Linear particle accelerator}}は、[[放射線療法]]で表在性腫瘍を治療するための電子線を発生させる。{{Ill2|電子線治療|en|Electron therapy}}を[[基底細胞癌]]などの皮膚病変の治療に用いる理由は、電子線が吸収される前に限られた深さまでしか透過しないためである（通常、エネルギー範囲が5–20&nbsp;MeVの電子線で5&nbsp;cmまで）。電子線は、[[X線]]が照射された部位の治療を補完するために使われる<ref>{{cite journal
 | last1 = Beddar | first1 = A.S.
 | last2 = Domanovic | first2 = Mary Ann
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 }}</ref><ref>{{cite web
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 | url-status = live
 }}</ref>。

[[粒子加速器]]は、電場を使用して電子とその反粒子を高エネルギーまで加速する。これらの粒子は磁場を通過する際に放射光を発する（[[シンクロトロン]]放射）。この放射光強度がスピン依存性を持つことにより、発生源の電子線は偏極を受けることになる（{{Ill2|ソコロフ-テルノフ効果|en|Sokolov–Ternov effect}}{{efn|電子線の偏極とは、すべての電子のスピンが等しくなることを意味する。つまりスピンを偏向磁場の軸へ射影するとすべての電子で符号が等しい。}}として知られる）。偏極電子線はさまざまな実験に役立っている。シンクロトロン放射には発生源の電子線を{{Ill2|放射減衰|en|Radiation damping|label=冷却}}して運動量の広がりを抑える効果もある。電子線や陽電子線は必要なエネルギーまで加速された時点で互いに衝突させられる。そのとき放出されるエネルギーは[[粒子検出器]]で観測され、[[素粒子物理学]]の研究対象となる<ref>{{cite book
 | last1 = Chao
 | first1 = A.W.
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 | title = Handbook of Accelerator Physics and Engineering
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 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204071146/https://books.google.com/books?id=Z3J4SjftF1YC&pg=PA155
 | url-status = live
 }}</ref>。

=== イメージング ===
[[低速電子線回折|低速電子線回折法]]（LEED）は、{{Ill2|コリメート光 (物理学)|en|Collimated beam|label=平行な}}電子線を結晶性物質に照射し、得られた回折パターンを観察して物質の構造を決定する方法である。必要な電子エネルギーは通常20-200 eVの範囲である<ref>{{cite book
 | last = Oura | first = K.
 | title = Surface Science: An Introduction
 | pages = 1–45
 | publisher = [[:en:Springer Science+Business Media|Springer Science+Business Media]] | year = 2003
 | isbn = 978-3-540-00545-2
|display-authors=etal}}</ref>。[[反射高速電子線回折|反射高速電子線回折法]]（RHEED）は、さまざまな低角度で入射させた電子線の反射を利用して、結晶性物質の表面の特性を調べる手法である。ビームエネルギーは通常8-20 keVで、入射角は1–4°である<ref>{{cite book
 | last1 = Ichimiya
 | first1 = A.
 | last2 = Cohen
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 | title = Reflection High-energy Electron Diffraction
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 | publisher = Cambridge University Press
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 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204084445/https://books.google.com/books?id=AUVbPerNxTcC&pg=PA1
 | url-status = live
 }}</ref><ref>{{cite journal
 | last = Heppell | first = T.A.
 | year = 1967
 | title = A combined low energy and reflection high energy electron diffraction apparatus
 | journal = [[:en:Measurement Science and Technology|Journal of Scientific Instruments]]
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 | doi =10.1088/0950-7671/44/9/311
 | bibcode = 1967JScI...44..686H
}}</ref>。

[[電子顕微鏡]]では電子線を集束して試料に照射する。一部の電子は、試料と相互作用することで、運動方向、角度、相対的な位相、エネルギーなどの特性が変化する。このような電子線の変化を記録すれば原子レベルまで解像された物質の画像を生成することができる<ref>{{cite web
 | last = McMullan
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 | title = Scanning Electron Microscopy: 1928–1965
 | publisher = University of Cambridge
 | year = 1993
 | url = https://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/mcmullan/mcm.htm
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 | df = dmy-all
 | archive-date = 2009-03-16
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20090316071650/http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/mcmullan/mcm.htm
 | url-status = live
 }}</ref>。従来の[[光学顕微鏡]]では、回折限界における分解能の値は青色光の場合で約200&nbsp;nmであった<ref>{{cite book
 | last = Slayter
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 | title = Light and electron microscopy
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 | publisher = Cambridge University Press
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 | url-status = live
 }}</ref>。それに比較して、電子顕微鏡の回折限界は電子の[[ド・ブロイ波|ド・ブロイ波長]]で決まる。たとえば、10万[[ボルト (単位)|ボルト]]の電位で加速された電子の場合、その波長は0.0037&nbsp;nmとなる<ref>{{cite book
 | last = Cember
 | first = H.
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 | access-date = 2020-08-25
 | archive-date = 2022-02-04
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204084443/https://books.google.com/books?id=obcmBZe9es4C&pg=PA42
 | url-status = live
 }}</ref>。{{Ill2|透過型電子収差補正顕微鏡|en|Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope}}は、0.05&nbsp;nm以下の分解能があり、個々の原子を解像するには十分なほどである<ref>{{cite journal
 |last1           = Erni
 |first1          = R.
 |display-authors = etal
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 |title           = Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe
 |journal         = [[:en:Physical Review Letters|Physical Review Letters]]
 |volume          = 102
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 |page            = 096101
 |doi             = 10.1103/PhysRevLett.102.096101
 |bibcode         = 2009PhRvL.102i6101E
 |pmid            = 19392535
 |url             = https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc927376/
 |access-date     = 2018-08-17
 |archive-date    = 2020-01-02
 |archive-url     = https://web.archive.org/web/20200102164706/https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc927376/
 |url-status      = live
}}</ref>。

電子顕微鏡には、主に[[透過型電子顕微鏡|透過型]]と[[走査型電子顕微鏡|走査型]]の2種類がある。透過型電子顕微鏡では電子線は試料の薄片を透過した後に、レンズによって[[リバーサルフィルム|写真フイルム]]や[[電荷結合素子]]の上に結像される。走査型電子顕微鏡では、精密に収束された電子線で試料を[[ラスタースキャン|走査]]して画像を生成する。倍率はどちらも100倍から100万倍以上の範囲にわたる。[[走査型トンネル顕微鏡]]はこれらとは異なり、鋭利な金属[[探針]]から試料への電子の量子トンネルを利用し、試料表面の原子解像度を持つ像を生成することができる<ref name="bozzola_1999">{{cite book
 | last1 = Bozzola
 | first1 = J.J.
 | last2 = Russell
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 | title = Electron Microscopy: Principles and Techniques for Biologists
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 }}</ref><ref>{{cite book
 | last1 = Flegler | first1 = S.L.
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}}</ref><ref>{{cite book
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 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204084444/https://books.google.com/books?id=RqSMzR-IXk0C&pg=PA9
 | url-status = live
 }}</ref>。

=== その他の用途 ===
[[自由電子レーザー]]（FEL）では、磁場の向きが交互に反転するように配置された{{Ill2|双極子磁石|en|Dipole magnet}}の配列からなる{{Ill2|アンジュレータ|en|Undulator|preserve=1}}に、{{Ill2|相対論的電子線|en|Relativistic electron beam}}を通過させる。電子は放射光を放出し、その放射光が元の電子線と[[コヒーレンス|コヒーレント]]に相互作用して、{{Ill2|共振|en|Resonance|label=共振周波数|preserve=1}}の放射場を強く増幅する。FELは、[[マイクロ波]]から軟X線までの幅広い周波数にわたって、コヒーレントな高[[放射輝度|輝度]]電磁放射を放出することができる。これらの装置は、製造、通信、軟部組織手術などの医療用途で使用されている<ref>{{cite book
 | last1 = Freund
 | first1 = H.P.
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 | title = Principles of Free-Electron Lasers
 | pages = 1–30
 | publisher = [[:en:Springer Science+Business Media|Springer]]
 | year = 1996
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 | url = https://books.google.com/books?id=73w9tqTgbiIC&pg=PA1
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 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220204084620/https://books.google.com/books?id=73w9tqTgbiIC&pg=PA1
 | url-status = live
 }}</ref>。

[[陰極線管]]は電子が重要な役割を担う装置で、実験機器、[[ディスプレイ (コンピュータ)|コンピューターモニター]]、[[テレビ受像機|テレビジョン受像機]]の表示装置として広く使用されてきた<ref>{{cite book
 | last = Kitzmiller | first = J.W.
 | title = Television Picture Tubes and Other Cathode-Ray Tubes: Industry and Trade Summary
 | pages = 3–5
 | publisher = Diane Publishing | year = 1995
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}}</ref>。[[光電子増倍管]]では、{{Ill2|光電陰極|en|Photocathode}}に当たった光子が電子の雪崩を引き起こし、検出可能な電流パルスを生成する<ref>{{cite book
 | last = Sclater | first = N.
 | title = Electronic Technology Handbook
 | pages = 227–228
 | publisher = [[:en:McGraw-Hill|McGraw-Hill Professional]] | year = 1999
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}}</ref>。[[真空管]]は電子の流れを利用して電気信号を制御するもので、エレクトロニクス技術の発展において重要な役割を果たした。しかし、その大部分は、[[トランジスタ]]などの{{Ill2|固体電子工学|en|Solid-state electronics|label=固体素子}}に取って代わられた<ref>{{cite web
 | title = The History of the Integrated Circuit
 | url = https://nobelprize.org/educational_games/physics/integrated_circuit/history/
 | publisher = [[:en:Nobel Foundation|The Nobel Foundation]]
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 | archive-date = 2008-12-01
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20081201144536/http://nobelprize.org/educational_games/physics/integrated_circuit/history/
 | url-status = live
 }}</ref>。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{notelist|25em}}

=== 出典 ===
{{reflist|25em|refs=

<ref name="anastopoulos1">{{cite book
 | last = Anastopoulos
 | first = C.
 | title = Particle Or Wave: The Evolution of the Concept of Matter in Modern Physics
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 | publisher = Princeton University Press
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<ref name="DictOrigins">{{cite book
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 |archive-date = 2021-05-10
 |archive-url  = https://web.archive.org/web/20210510144005/https://books.google.com/books?id=SPrAMy8glocC&pg=PA70
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</ref>-->

}}

== 推薦文献 ==
{{更新|date=2024年6月|section=1}}
* {{Cite book|和書|last=新井|first=朝雄|authorlink=新井朝雄|date=2000-08|title=フォック空間と量子場|volume=上巻|publisher=[[日本評論社]]|series=数理物理シリーズ|id={{全国書誌番号|20094951}}|isbn=978-4535783171|ncid=BA47827882|oclc=835858506|asin=4535783179|ref=harv}}
* {{Cite book|和書|last=田崎|first=晴明|authorlink=田崎晴明|title=統計力学I|publisher=[[培風館]]|series=新物理学シリーズ|date=2008-12|id={{全国書誌番号|21522924}}|isbn=978-4-563-02437-6|ncid=BA88185786|oclc=836205285|asin=4563024376|ref=harv}}
* {{Cite book|和書|last=北野|first=正雄|date=2010-01-23|title=量子力学の基礎|publisher=[[共立出版]]|id={{全国書誌番号|21708221}}|isbn=978-4-320-03462-4|ncid=BB00852726|oclc=502981559|asin=4320034627|ref=harv}}
* {{Cite book|和書|author=アルベルト・マルチネス|title=ニュートンのりんご、アインシュタインの神 : 科学神話の虚実|translator=野村尚子|publisher=[[青土社]]|date=2015-01-29|id={{全国書誌番号|22534432}}|isbn=978-4791768493|ncid=BB1785557X|oclc=904952551|asin=4791768493|ref=harv}}
* {{Cite book|和書|author=ヘリガ・カーオ|title=20世紀物理学史―理論・実験・社会―|volume=上巻|translator=岡本 拓司・有賀 暢迪・稲葉 肇|publisher=[[名古屋大学出版会]]|date=2015-07-01|id={{全国書誌番号|22615747}}|isbn=978-4815808099|ncid=BB18929784|oclc=919566015|asin=4815808090}}
* {{Cite book|和書|author=ヘリガ・カーオ|title=20世紀物理学史―理論・実験・社会―|volume=下巻|translator=岡本 拓司・有賀 暢迪・稲葉 肇|publisher=[[名古屋大学出版会]]|date=2015-07-01|id={{全国書誌番号|22615751}}|isbn=978-4815808105|ncid=BB18929784|oclc=913193126|asin=4815808104}}

== 関連項目 ==
{{Portal box|エレクトロニクス|物理学|自然科学}}
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* [[エニオン]] - 2次元系でのみ観測される準粒子の一種
* [[ベータ粒子]] - β崩壊という原子核の放射性崩壊で放出される高エネルギーで高速の電子または陽電子
* [[電子化物]] - 電子が陰イオンの役割を果たすイオン性化合物
* {{Ill2|電子バブル|en|Electron bubble}} - ネオンやヘリウムなどの極低温ガスや液体中の自由電子の周囲に生じる空虚な空間
* {{Ill2|エキソ電子放射|en|Exoelectron emission}} - 前処理（照射、変形など）された物体からのみ生じる弱い電子放出
* [[g因子|''g''因子]] - 原子や粒子、原子核の磁気モーメントと角運動量を特徴づける無次元量
* [[レプトン (素粒子)|レプトン]] - 強い相互作用を受けない半整数のスピン（スピン[[:en:spin-½|{{sfrac|1|2}}]]）を持つ素粒子
* [[物理学における粒子の一覧]] - 既知あるいは仮説の粒子 (英語版 [[:en:List of particles|List of particles]] が優れる)
* [[単一電子宇宙仮説]] - すべての電子と陽電子は、実際には時間を前後する1つの実体の発露であるとする仮説
* {{Ill2|小分子の周期系|en|Periodic systems of small molecules}} - 元素の周期表と同じような分子の図表
* [[スピントロニクス]] - 固体素子における基本的な電子電荷に加え、固有スピンとそれに関連する磁気モーメントを研究する学問分野
* [[シュテルン＝ゲルラッハの実験]] - 原子のスピンが量子化されることを示した1922年の物理実験
* [[タウンゼント放電]] - 気体のイオン化プロセスの一種
* [[ゼーマン効果]] - 静磁場の存在下でスペクトル線がいくつかの成分に分裂する効果
* [[陽電子]]（または反電子） - 電子の反粒子（または反物質）
}}

== 外部リンク ==
{{Wikiquote}}
{{EB1911 poster|Electron}}
{{Commons category|Electrons}}
* {{cite web |title=The Discovery of the Electron (電子の発見) |publisher=[[米国物理学協会]] |department=物理学史センター<!-- Center for History of Physics --> |url=https://history.aip.org/exhibits/electron/ |access-date=2005-07-20}}{{En icon}}
* {{cite web |title=Particle Data Group (素粒子データグループ) |publisher=[[カリフォルニア大学]]<!-- University of California --> |url=https://pdg.lbl.gov/ |access-date=2003-07-26}}{{En icon}}

* {{cite book |last1=Bock |first1=R.K. |last2=Vasilescu |first2=A. |title=The Particle Detector BriefBook |publisher=Springer |edition=14th |year=1998 |isbn=978-3-540-64120-9 |url=https://physics.web.cern.ch/ParticleDetector/BriefBook/|洋書 |archive-url=https://web.archive.org/web/20080526082325/http://rkb.home.cern.ch/rkb/titleD.html |archive-date=2008-05-26}}{{En icon}}

* {{cite web |last=Copeland |first=Ed |title=Spherical Electron (球状電子) |url=https://www.sixtysymbols.com/videos/electron_sphere.htm |website=Sixty Symbols (60のシンボル) |publisher=[[:en:Brady Haran|Brady Haran]] |access-date=2013-04-26}}{{En icon}}

* {{Cite web
 |url= http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Category?view=pdf&Atomic+and+nuclear
 |title= Fundamental Physical Constants — Atomic and Nuclear Constants (物理定数 — 原子定数および核定数)
 |accessdate= 2019-08-14
 |publisher= [[アメリカ国立標準技術研究所|NIST]]
 |format= PDF
}}

* {{Kotobank|2=日本大百科全書(ニッポニカ)}}

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