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Électron
Électron
Sections transversales des premières orbitales de l'atome d'hydrogène, le code de couleurs représentant l'amplitude de probabilité de l'électron
Sections transversales des premières orbitales de l'atome d'hydrogène, le code de couleurs représentant l'amplitude de probabilité 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 à spin demi-entier...)
Génération 1re
Propriétés physiques
Masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...) 510,998 918 (44) keV.c-2
(9,109 382 6(16)×10-31 kg)
Charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) -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 particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) ½
Durée de vie (La vie est le nom donné :) Stable
Historique

L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...).

Description

L'électron porte une charge électrique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) 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 élémentaire positive.). 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 de Fermi-Dirac (En mécanique quantique, la statistique de Fermi-Dirac désigne la distribution statistique de fermions indiscernables (tous similaires) sur les états d'énergie d'un...). En mécanique quantique ou plus exactement en électrodynamique quantique, l'électron est décrit par l'équation de Dirac.

Le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) occupé par cette particule est extrêmement petit. Quelle que soit son éventuelle forme, si ce mot a encore un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive...) pour ce genre d'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...), sa largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la...) est en tous les cas inférieure à 10-18 mètre, 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 électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même...) (ou positon). Dans le modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs...), il forme un doublet SU(2) avec le neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) 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 action réciproque qui suppose l'entrée en...) 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 positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus...) 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 propriétés sont proches de celles de l'électron et du muon, mais il est plus massif et...).

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 partie de l'école...) de l'université 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 excitable, elles...). À l'époque, on ne savait pas encore comment était composée la matière, même si l'étude de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...), des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas...) 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 (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) du noyau. Ce modèle fut repris par Niels Bohr (Niels Henrik David Bohr (7 octobre 1885 à Copenhague, Danemark - 18 novembre 1962 à Copenhague) est un physicien danois. Il est surtout connu pour son...) en y intégrant les premières découvertes de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) quantique : l'électron ne peut occuper que certaines orbites.

En 1924, Louis de Broglie (Louis Victor de Broglie, duc de Broglie (Dieppe, 15 août 1892 – Louveciennes, 19 mars 1987) était un mathématicien, physicien et académicien français.) 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 transparent ; le phénomène peut être...) 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 nuits, pendant laquelle les...) 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 (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La...). Une des hypothèses fondamentales de l'électrodynamique quantique est qu'en première approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une approximation soit le...), 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 largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...) 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 (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il...) 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, et notamment les équations de Maxwell. La mise en mouvement d'un électron peut résulter d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique, d'une interaction avec un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement...) (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 contact.), voir Électricité statique et Triboélectricité).

Le mouvement d'un électron produit un courant électrique, associé à un champ magnétique. 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 ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) 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 mise en œuvre, de la lumière ou des rayons X (voir Effet Tcherenkov, Tube à rayons X, Synchrotron).

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) à travers le microscope. La microscopie permet de...) électronique à balayage, microscopie électronique en transmission, microsonde de Castaing (La microsonde de Castaing (en anglais electron probe microanalysis, EPMA) est une méthode d'analyse élémentaire inventée...), microscope à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la...) 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...) 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:

r_\mathrm{e}=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{e^2}{mc^2} = 2.817940325(28)\times 10^{-15} \mathrm{m}

e et m sont la charge électrique et la masse de l'électron, respectivement, c la vitesse (On distingue :) de la lumière, et ε0 est la permittivité du vide.

En utilisant l'électrostatique classique, on peut calculer l'énergie requise pour assembler une sphère de densité de charge constante, et de rayon re et de charge e:

E=\frac{3}{5}\,\,\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{e^2}{r_\mathrm{e}}.

De même, dans le cas particulier où la charge est située sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) de la sphère seulement, on a:

E=\frac{1}{2}\,\,\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{e^2}{r_\mathrm{e}}.

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 isolants...) re, 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 appelle effet Compton plus...). 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, matière, ...) évoluant dans un sens commun....) 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 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 pas de complément de nom, il s'agit toujours de troupeaux de...) (noyau atomique) reste immobile.

Le courant électrique peut être mesuré directement à l'aide d'un galvanomètre (ampèremètre ultra-sensible).

Contrairement à ce que semble indiquer son nom, l'électricité statique ne correspond pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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.

Dualité onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) particule

Comme toutes les particules élémentaires, l'électron est sujet à la dualité onde-particule. Il se comporte tantôt comme une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...), 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 constitué d'un filament chauffé, de...) d'une télévision, par exemple, l'électron se comporte comme un particule (il a une trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.), contrôlée par un champ magnétique, et entre en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) 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 plusieurs ondes 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 (Les fentes de Young sont l'objet d'une expérience de physique réalisée en 1801 par Thomas Young qui consiste à diriger de la lumière...). Dans cette expérience, l'électron se déplace sur une distance de l'ordre du mètre, et entre en collision avec un écran. Mais il n'a pas eu de trajectoire entre son point (Graphie) 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.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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