Électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une Charge électrique élémentaire de...)
Sections transversales des premières orbitales de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la...) d'hydrogène (Table complète - Table étendue), le code de couleurs représentant l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de probabilité (Probabilité vient du latin probare (prouver, ou tester). Le mot probable signifie « qui peut se produire »...) de l'électron
Propriétés générales
Composition	Élémentaire
Classification	Fermion (Il existe deux grandes classes de particules élémentaires: les fermions et les bosons. Les fermions sont les particules...)
Groupe	Lepton (Un lepton est une particule élémentaire qui n'est sensible qu'à l'interaction électrofaible et à la gravitation. Le...)
Génération	1re
Interaction(s)	Gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), Électromagnétique, faible
Propriétés physiques
Masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur...)	510,998 918 (44) keV.c-2 (9,109 382 6(16)×10-31 kg)
Charge	-1 e (−1,60217653(14)×10-19 C)
Spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...)	½
Durée de vie	Stable
Historique
Prédiction	Stoney (1874)
Découverte	Thomson (1897)

L'électron est une particule élémentaire (Le modèle standard de la physique, universellement admis et très précisément vérifié par l'expérience, postule que...) de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont...) qui respecte le principe de conservation.) élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.

Description

L'électron porte une charge électrique fondamentale négative égale à -1,6 × 10^-19 coulomb. La masse d'un électron est d'environ 9,11 × 10^-31 kg, ce qui correspond à environ 1/1 800 de la masse d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique de 1,602×10-19 coulombs. Il fut découvert en 1919...). L'électron fait partie de la famille de particules appelées « leptons », et est de ce fait considéré, en l'état actuel des connaissances, comme étant une particule fondamentale (c'est-à-dire qu'il ne peut pas être brisé en de plus petites particules, contrairement aux protons et aux neutrons). De plus, l'électron est un fermion : il possède ainsi un spin de valeur 1/2 et suit la statistique (Une statistique (par opposition à la statistique) est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'une population....) de Fermi-Dirac. En mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage...) des quanta, la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies,...) quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques...) ou plus exactement en électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec...), l'électron est décrit par l'équation de Dirac.

Le volume (En physique, le volume d'un objet mesure « l'extension dans l'espace » qu'il possède dans les trois...) occupé par cette particule est extrêmement petit. Quelle que soit son éventuelle forme, si ce mot a encore un sens pour ce genre d'objet, sa largeur est en tous les cas inférieure à 10^-18 mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini...), soit un millionième de millionième de millionième de mètre (voir le «rayon classique» ci-dessous).

L'anti-particule associée à l'électron est le positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge...) (ou positon). Dans le modèle standard de la physique des particules, il forme un doublet SU(2) avec le neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules.) électronique avec lequel il interagit par l'intermédiaire de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une...) faible. L'électron possède deux partenaires de même charge mais plus massifs : le muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge...) et le tauon (Le tauon est une particule de la famille des leptons, de masse 1777 MeV.c-2. Il est symbolisé par τ − . Ses...).

Histoire

La thèse de l'électron fut avancée en 1874 par George Johnstone Stoney. Celui ci inventa d'ailleurs le terme « électron » en 1894. L'électron fut finalement découvert en 1897 par J. J. Thomson au laboratoire Cavendish (Le laboratoire Cavendish (Cavendish Laboratory) est le département de physique de l'université de Cambridge. Il fait...) de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche),...) de Cambridge alors qu'il étudiait les rayons cathodiques (On nomme rayons cathodiques une éjection continue d'électrons. Lorsque les éjections de rayons se font dans un gaz...). À l'époque, on ne savait pas encore comment était composée la matière, même si l'étude de la chimie (La chimie est la science qui étudie la composition et les réactions de la matière.), des gaz (Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi...) et des cristaux semblait indiquer qu'elle était constituée de « briques » appelées « atomes » (en apparence, la matière est en effet continue et il n'est pas évident qu'elle soit granuleuse). Les rayons cathodiques ont montré que l'on pouvait arracher une partie de la matière, et que cette partie portait une charge électrique négative.

Robert Millikan confirma en 1910 que la charge électrique était quantifiée, c'est-à-dire que la matière ne pouvait prendre que certaines valeurs de charge électrique. Il mesura ainsi la charge électrique élémentaire, qui est la charge de l'électron (voir Expérience de la goutte d'huile de Millikan).

L'expérience de Rutherford, en 1911 a montré que si elle pouvait être facilement arrachée à la matière, cette partie chargée négativement était diffuse alors que la part chargée positivement était concentrée (noyau atomique). Rutherford propose donc un modèle « planétaire », dans lequel l'électron tourne autour du noyau. Ce modèle fut repris par Niels Bohr (Niels Henrik David Bohr (7 octobre 1885 - 18 novembre 1962) est un physicien danois.) en y intégrant les premières découvertes de la physique quantique : l'électron ne peut occuper que certaines orbites.

En 1924, Louis de Broglie postula la dualité onde-corpuscule. Erwin Schrödinger proposa donc une description ondulatoire de l'électron, qui fut améliorée par Paul Dirac afin d'intégrer les découvertes des la théorie de la relativité. Cet aspect ondulatoire fut confirmé par les expérience de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement...) d'électrons, et est largement utilisé de nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux...) dans les microscopes électroniques en transmission.

Des expériences sur des électrons à hautes énergies, c'est-à-dire accélérés à de très hautes vitesses (dites « relativistes » car on ne peut plus appliquer les lois de la mécanique de Newton), le deep inelastic scattering, ont montré que l'électron avait une localisation bien plus petite que l'atome. Une des hypothèses fondamentales de l'électrodynamique (L'électrodynamique est la discipline physique qui étudie et traite des actions dynamiques entre les courants...) quantique est qu'en première approximation, l'électron est parfaitement ponctuel (En géométrie, un point est le plus petit élément constitutif de l'espace de travail.), c'est-à-dire sans dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa...) mesurable ; les succès de cette théorie tendraient à indiquer que cette hypothèse est probable, malgré certains problèmes soulevés (comme la divergence de la self énergie).

Voir aussi : Historique des modèles de l'atome.

Interaction des électrons

Les électrons constituent un nuage qui entoure les atomes. De fait, c'est cette couche externe (  Ne pas confondre couche de valence et valence) qui permet aux atomes de se lier dans des liaisons chimiques. Les électrons sont donc au cœur des réactions chimiques, et en particulier des réactions d'oxydo-réduction. C'est donc un concept fondamental pour comprendre le chimie, et par extension la biochimie (on pensera en particulier à la photosynthèse).

Portant une charge électrique, l'électron est soumis aux lois de l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques...), et notamment les équations de Maxwell. La mise en mouvement d'un électron peut résulter d'un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement...), d'une interaction avec un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique....) (effet photoélectrique, effet Compton) ou d'une action mécanique (par exemple frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en...), voir Électricité statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé...) et Triboélectricité).

Le mouvement d'un électron produit un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).), associé à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...). Ceci est à la base de toute l'électricité (électrocinétique, électronique, radioélectricité) et à de nombeux phénomènes optiques (diffusion Rayleigh, réfraction). Un « jet d'électrons » dans le vide (Le vide est avant tout un concept philosophique. Il désigne l'absence de matière.) est utilisé dans les tubes cathodiques (téléviseurs). Par ailleurs, la décélération d'un électron provoque l'émission d'un photon, qui peut être, selon l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un...) mise en œuvre, de la lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des...) ou des rayons X (voir Effet Tcherenkov (L'effet Tcherenkov est un phénomène similaire à une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés...) de choc, produisant un flash de lumière, et, qui a lieu...), Tube à rayons X, Synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules...)).

Du fait de ses propriétés, il est utilisé dans de nombreuses méthodes d'analyse et de caractérisation de la matière, par exemple microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur)...) électronique à balayage, microscopie électronique en transmission, microsonde de Castaing, microscope à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel,...) etc.

Rayon classique

Le rayon classique de l'électron, aussi appelé le rayon de Compton ou la longueur de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à...) Thomson, est le rayon typique de la particule, basé sur un modèle relativiste classique (c'est-à-dire non-quantique) de l'électron. Sa valeur vaut:

où e et m sont la charge électrique et la masse de l'électron, respectivement, c la vitesse (La vitesse est une grandeur physique qui permet d'évaluer l'évolution d'une quantité en fonction du temps.) de la lumière, et ε₀ est la permittivité (En électromagnétisme, la permittivité ε d'un matériau est le rapport D/E du déplacement électrique (aussi...) du vide.

En utilisant l'électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles,...) classique, on peut calculer l'énergie requise pour assembler une sphère (Une sphère est une surface à 3 dimensions dont tous les points sont situés à une même distance d'un point appelé...) de densité (La densité est un nombre sans dimension, égal au rapport d'une masse d'une substance homogène à la masse du même volume...) de charge constante, et de rayon r_e et de charge e:

.

De même, dans le cas particulier où la charge est située sur la surface (Il existe de nombreuses acceptions au mot surface, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, souvent...) de la sphère seulement, on a:

.

En ignorant les facteurs 2/3 et 1/2, les deux équations ci-dessus peuvent être égalée à l'énergie au repos de l'électron (le fameux E=mc²). En isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les...) r_e, on obtient la valeur donnée plus haut.

En termes physiques relativement simples, le rayon classique de l'électron représente grosso modo la taille que l'electron devrait avoir pour que sa masse soit complètement due à son énergie potentielle électrostatique, sans tenir compte des effets quantiques. C'est exactement ce que représente le fait d'égaler l'énergie de la sphère et E = mc². On sait aujourd"hui que la mécanique quantique, ou, pour être plus précis, la théorie quantique des champs, est nécessaire pour comprendre le comportement des électrons à de si faibles échelles de distance. En fait, le rayon classique de l'électron n'est plus considéré aujourd'hui comme représentant la taille réelle de cette particule, puisque les expériences de physique des particules ont montré^{[réf. nécessaire]} que l'électron était une particule ponctuelle, avec un rayon nul. Néanmoins, ce rayon classique de l'électron est utilisé dans les théories modernes à la limite entre le quantique et le classique, comme la diffusion Compton (En physique, la diffusion Compton est la diffusion d'un photon sur une particule de matière, comme un électron. On...). Le rayon classique de l'électron est également l'échelle de longueur à laquelle la renormalisation devient importante dans l'électrodynamique quantique.

Électricité

L'électricité, ou courant électrique, est définie par un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie,...) net d'électrons, d'ions ou de trous d'électrons (défauts ponctuels des cristaux). Dans le cas d'un métal conducteur (tel qu'un fil électrique (Un fil électrique, ou câble électrique est un organe fait d'un matériaux conducteur servant au transport de...) classique), le courant électrique est constitué par le mouvement des électrons libres (charges négatives) tandis que les noyaux des atomes (charges positives) restent fixes dans la structure du métal. Par analogie, on peut comparer le courant électrique au déplacement de moutons (électrons) dans une direction alors que le berger (Un berger (une bergère) est une personne chargée de guider et de prendre soin des troupeaux de moutons (quand il n'y a...) (noyau atomique) reste immobile.

Le courant électrique peut être mesuré directement à l'aide d'un galvanomètre (Un galvanomètre est l'un des modèles d'ampèremètre de type analogique. L'appareil est muni d'une aiguille permettant de...) (ampèremètre ultra-sensible).

Contrairement à ce que semble indiquer son nom, l'électricité statique ne correspond pas du tout à un flux d'électrons. Le terme charge statique, mieux approprié, se réfère à un corps possédant plus, ou moins, d'électrons que ce qui est nécessaire pour contrebalancer la charge positive des protons. On dit que le corps considéré est chargé négativement si l'on est en présence d'un excès d'électrons. Dans le cas contraire, le corps est dit chargé positivement. Enfin, si le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, le corps est dit électriquement neutre.

La charge électrique peut être directement mesurée à l'aide d'un électromètre (Un électromètre (aussi appelé electroscope) est un appareil de mesure scientifique permettant la mesure ou la mise en...).

Dualité onde particule

Comme toutes les particules élémentaires, l'électron est sujet à la dualité onde-particule (« Les objets quantiques sont dingues, mais au moins, ils sont tous dingues de la même manière. Richard...). Il se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une particule. Dans le tube cathodique (Le tube cathodique (CRT ou Cathode Ray Tube en anglais), fut inventé par Karl Ferdinand Braun. Le dispositif est...) d'une télévision (Cet article ou cette section doit être recyclé. Sa qualité devrait être largement améliorée en le réorganisant et en le...), par exemple, l'électron se comporte comme un particule (il a une trajectoire, contrôlée par un champ magnétique, et entre en collision (On appelle collision le choc entre deux objets.) avec l'écran).

Lorsqu'il est dans un atome, l'électron se comporte comme une onde stationnaire (Une onde stationnaire est le phénomène résultant de la propagation simultanée dans des directions différentes de...). La forme des ondes stationnaires des électrons périphériques d'un atome détermine les liaisons chimiques possibles que cet atome peut avoir dans une molécule.

Le comportement ondulatoire de l'électron s'applique aussi à l'échelle macroscopique, comme dans l'expérience des fentes de Young. Dans cette expérience, l'électron se déplace sur une distance de l'ordre du mètre, et entre en collision avec un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies...). Mais il n'a pas eu de trajectoire entre son point de départ et l'arrivée. Sur le trajet, il s'est comporté comme une onde. Ce phénomène, admis pour la lumière, est beaucoup plus intriguant quand il s'applique à des particules de masse non nulle, comme l'électron.