Électron - Définition et Explications

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 (Le modèle standard classe les particules élémentaires en deux grandes...)
Génération 1re
Propriétés physiques
Masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 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...) -1 e
(−1,60217653(14)×10-19 C)
Spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) ½
Durée de vie (La vie est le nom donné :) Stable
Historique

L'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) est une particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers...) de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...) élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...).

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...). 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...). En mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) ou plus exactement en électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier...), l'électron est décrit par l'équation de Dirac (L'équation de Dirac est une équation formulée par Paul Dirac en 1928 dans le cadre de sa...).

Le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 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...) pour ce genre d'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...), sa largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) 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...), 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....) (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...), il forme un doublet SU(2) avec le neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des...) 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...) 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...) et le tauon (Le tau est une particule de la famille des leptons, de masse 1777 MeV.c-2. Il est symbolisé...).

Histoire

La thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est...) 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...) de l'université de Cambridge (L'université de Cambridge est une université britannique connue dans le monde entier.) alors qu'il étudiait les rayons cathodiques (On nomme rayons cathodiques une éjection continue d'électrons. Lorsque les éjections de rayons...). À l'époque, on ne savait pas encore comment était composée la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...), même si l'étude de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...), des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) 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 (L'expérience de Rutherford fut menée en 1911, et montra que la partie chargée positivement de la...), 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...) du noyau. Ce modèle fut repris par Niels Bohr (Niels Henrik David Bohr (7 octobre 1885 à Copenhague, Danemark -...) en y intégrant les premières découvertes de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) quantique : l'électron ne peut occuper que certaines orbites.

En 1924, Louis de Broglie (Louis Victor de Broglie, prince, puis duc de Broglie (15 août 1892 à Dieppe,...) postula la dualité onde-corpuscule. Erwin Schrödinger (Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (12 août 1887 à Vienne - 4 janvier 1961)...) proposa donc une description ondulatoire de l'électron, qui fut améliorée par Paul Dirac (Paul Adrien Maurice Dirac (8 août 1902 à Bristol, Angleterre - 20 octobre 1984 à...) afin d'intégrer les découvertes des la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...). 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...) 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...) 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 (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) 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...). Une des hypothèses fondamentales de l'électrodynamique (L'électrodynamique est la discipline physique qui étudie et traite des actions dynamiques entre...) quantique est qu'en première approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...), 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...) mesurable ; les succès de cette théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) 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...) 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 (La biochimie est la discipline scientifique qui étudie les réactions chimiques ayant lieu...) (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...), et notamment les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois...). La mise en mouvement d'un électron peut résulter d'un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...), d'une interaction avec un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) (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...), voir Électricité statique et Triboélectricité).

Le mouvement d'un électron produit un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...), associé à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...). Ceci est à la base de toute l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) (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 (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) mise en œuvre, de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) 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 électronique à balayage (La microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy en...), microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) électronique en transmission, microsonde de Castaing (La microsonde de Castaing (en anglais electron probe microanalysis, EPMA) est une méthode...), microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981...) 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...) 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 de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...), et ε0 est la permittivité (En électromagnétisme, la permittivité ε d'un matériau est le rapport D/E du...) du vide.

En utilisant l'électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...) classique, on peut calculer l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) requise pour assembler une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...) de densité de charge (La densité de charge électrique correspond au rapport de la charge sur le volume. Elle peut être...) 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...) 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....) re, on obtient la valeur donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) 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 (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) 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 (La théorie quantique des champs (QFT, abréviation du terme anglais Quantum field theory)...), 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 inélastique d'un photon sur un...). Le rayon classique de l'électron est également l'échelle de longueur à laquelle la renormalisation (En théorie quantique des champs (ou QFT), en mécanique statistique des champs, dans la...) 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...) net d'électrons, d'ions ou de trous d'électrons (défauts ponctuels des cristaux). Dans le cas d'un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) conducteur (tel qu'un fil électrique (Un fil électrique, ou câble électrique est un organe fait d'un matériaux conducteur servant au...) 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 ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) 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...) (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...) (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...) 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...) 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...).

Dualité onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) particule

Comme toutes les particules élémentaires, l'électron est sujet à la dualité onde-particule (En physique, la dualité onde-particule ou dualité onde-corpuscule est un principe selon...). Il se comporte tantôt comme une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...), 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...) d'une télévision (La télévision est la transmission, par câble ou par ondes radioélectriques, d'images ou de...), 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...), contrôlée par un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique, et entre en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) 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...). La forme des ondes stationnaires des électrons périphériques d'un atome détermine les liaisons chimiques possibles que cet atome peut avoir dans une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...).

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...). 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...). 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.

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