Électron
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|---|---|
 Sections transversales des premières orbitales de l'atome d'hydrogène, le code de couleurs représentant l'amplitude de probabilité de l'électron |
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| Propriétés générales | |
| Composition | Élémentaire |
| Classification | Fermion |
| Groupe | Lepton |
| Génération | 1re |
| Interaction(s) | Gravité, Électromagnétique, faible |
| Propriétés physiques | |
| Masse | 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 | ½ |
| Durée de vie | Stable |
| Historique | |
| Prédiction | Stoney (1874) |
| Découverte | Thomson (1897) |
L'électron est une particule élémentaire, plus précisèment un lepton. C'est un des composants de l'atome.
Sommaire |
[modifier] 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. L'électron fait partie de la famille des leptons (fermions), 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).
Le volume 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, soit un millionnième de millionnième de millionnième de mètre.
Les atomes sont constitués d'un noyau atomique (lui-même constitué de nucléons: les protons et les neutrons) entouré par un nuage électronique.
L'électron est un fermion : il possède ainsi un spin 1/2 et suit la statistique de Fermi-Dirac.
L'anti-particule associée à l'électron est le positron (ou positon).
En mécanique quantique ou plus exactement en électrodynamique quantique, l'électron est décrit par l'équation de Dirac.
Dans le modèle standard de la physique des particules, il forme un doublet SU(2) avec le neutrino électronique avec lequel il interagit par l'intermédiaire de l'interaction faible. L'électron possède deux partenaires de même charge mais plus massifs : le muon et le tauon.
[modifier] Histoire
L'électron fut découvert en 1897 par J. J. Thomson au laboratoire Cavendish de l'université de Cambridge alors qu'il étudiait les rayons cathodiques. À l'époque, on ne savait pas encore comment était composée la matière, même si l'étude de la chimie, des gaz 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 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 d'électrons, et est largement utilisé de nos jours 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 montrées que l'électron avait une localisation bien plus petite que l'atome. Une des hypothèses fondamentales de l'électrodynamique quantique est que l'électron est parfaitement ponctuel, c'est-à-dire est indéfiniment petit ; 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.
[modifier] Interaction des électrons
Les électrons constituent un nuage qui entoure les atomes. De fait, c'est cette couche externe 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 électrique, d'une interaction avec un photon (effet photoélectrique, effet Compton) ou d'une action mécanique (par exemple frottement, 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 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 :
- microscopie électronique à balayage, microscopie électronique en transmission ;
- microsonde de Castaing ;
- microscope à effet tunnel ;
- …
[modifier] Électricité
L'électricité, ou courant électrique, est définie par un flux 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 (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 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.
[modifier] Dualité onde particule
Comme toutes les particules élémentaires, l'électron est sujet à la dualité onde-particule. Il se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une particule.
Dans le tube cathodique d'une télévision, par exemple, l'électron se comporte comme un particule (il a une trajectoire, contrôlée par un champs magnétique, et entre en collision avec l'écran).
Lorsqu'il est dans un atome, l'électron se comporte comme une onde stationnaire. La forme des ondes stationnaires des électrons périphériques d'un atome détermine les liaisons 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. 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.
[modifier] Voir aussi
- Électron Auger
- Effet photoélectrique
- Photoélectron
- Électron excité
- Particule bêta
- Mobilité de l'électron
- Électron élastiquement lié
[modifier] Liens externes
[pdf] (en) Caractéristiques de l'électron (Particle Data Group)
| Particules | |
| Particules élémentaires : | |
|---|---|
| Fermions : | quarks · leptons |
| Leptons : | électron · muon · tauon · neutrinos |
| Bosons de jauge : | photon · gluons · bosons W+, W- et Z0 |
| Hypothétiques : | graviton · boson de Higgs |
| Particules composites : | |
| Hadrons : | baryons · mésons |
| Baryons : | proton · neutron · hypérons |
| Mésons : | pions · kaons |
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