Électron

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Électron
Crookes tube-in use-lateral view-standing cross prPNr°11.jpg

Des expériences menées avec les tubes de Crookes ont démontré avec certitude l'existence de l'électron.
Sur la photo, le tube est rempli d'un gaz à basse pression. Une tension électrique élevée est appliquée entre la cathode (à l'extrémité gauche) et l'anode (à l'extrémité du coude sous le tube). À la cathode, cette tension fait naître un faisceau d'électrons qui se déplacent en ligne droite (la faible lueur bleue au centre du tube), tant qu'ils ne heurtent pas d'atomes de gaz. À la droite, une pièce métallique en forme de croix de Malte bloque en partie ce flux d'électrons, ce qui crée une ombre à l'extrémité droite. Les autres électrons frappent le fond du tube et le rendent en partie luminescent (lueur vert pâle). Dans le coude sous le tube, le gaz s'illumine (lueur bleue) au passage des électrons déviés, collectés par l'anode [1].

Propriétés générales
Classification
Famille
Groupe
Génération
1re
Interaction(s)
Symbole
Nbr. de types
1
Antiparticule
Propriétés physiques
Masse
9,109 × 10−31 kg
(511 keV/c2)
Charge électrique
-1 e
(−1,602 × 10−19 C ; selon CODATA 2010, elle est de −1,602 176 565(35) × 10−19 C [2])
Moment magnétique
9,274 × 10−24 J/T
Spin
½
Parité
+1
Durée de vie
> 2,1 × 1036 s [3]
Historique
Prédiction
Richard Laming (1838–1851),
George Stoney (1874) et d'autres
Découverte
1897
Découvreur

L'électron, un des composants de l' atome avec les neutrons et les protons, est une particule élémentaire qui possède une charge élémentaire de signe négatif. Il est fondamental en chimie, car il participe à presque tous les types de réactions chimiques et constitue un élément primordial des liaisons présentes dans les molécules. En physique, l'électron intervient dans une multitude de rayonnements et d'effets. Ses propriétés, qui se manifestent à l'échelle microscopique, expliquent la conductivité électrique, la conductivité thermique, l' effet Vavilov-Tcherenkov, l' incandescence, l' induction électromagnétique, la luminescence, le magnétisme, le rayonnement électromagnétique, la réflexion optique, l' effet photovoltaïque et la supraconductivité, phénomènes macroscopiques largement exploités dans les pays industrialisés. Possédant la plus faible masse de toutes les particules chargées, il sert régulièrement à l'étude de la matière.

Le concept d'une quantité indivisible de charge électrique est élaboré à partir de 1838 par le naturaliste britannique Richard Laming afin d'expliquer les propriétés chimiques des atomes. L'électron est identifié comme le corpuscule envisagé par Joseph John Thomson et son équipe de physiciens britanniques en 1897, à la suite de leurs travaux sur les rayons cathodiques.

C'est à cette époque que Thomson propose son modèle atomique. En 1905, Albert Einstein propose une explication de l' effet photoélectrique — des électrons émis par la matière sous l'influence de la lumière — qui servira d'argument en faveur de la théorie des quanta. En 1912, Niels Bohr explique les raies spectrales en postulant la quantification de l'orbite des électrons de l'atome hydrogène, autre argument soutenant cette théorie. En 1914, les expériences d' Ernest Rutherford et d'autres ont solidement établi la structure de l'atome comme un noyau positivement chargé entouré d'électrons de masse plus faible. En 1923, les résultats expérimentaux d' Arthur Compton convainquent une majorité de physiciens de la validité de la théorie des quanta. En 1924, Wolfgang Pauli définit le principe d'exclusion de Pauli, ce qui implique que les électrons possèdent un spin. La même année, Louis de Broglie émet l'hypothèse, vérifiée plus tard, que les électrons présentent une dualité onde-corpuscule. En 1928, Paul Dirac publie son modèle de l'électron qui l'amènera à prédire l'existence du positron puis de l' antimatière. D'autres études des propriétés de l'électron ont mené à des théories plus complètes de la matière et du rayonnement.

Histoire

Article connexe : Histoire de l'électricité.
Gravure en noir et blanc. Deux hommes se tiennent debout face à un nuage chargé d'électricité
Une gravure montrant une scène fictive : l'homme à gauche maintient en l'air un cerf-volant censé recueillir de l'électricité des nuages. Benjamin Franklin se tient près du fil et un arc électrique lumineux apparaît entre son index et le fil. Illustration publiée en 1881 [4].

Les anciens Grecs ont déjà remarqué que l' ambre attire de petits objets quand elle est frottée avec de la fourrure ; en dehors de la foudre, ce phénomène est la plus ancienne expérience de l'humanité en rapport avec l' électricité [5], un déplacement de particules électriquement chargées.

En 1269, Pierre de Maricourt, un ingénieur militaire au service du prince français Charles Charles Ier de Sicile, étudie les propriétés des aimants permanents. « Cette étude, qui nous a été transmise sous forme d'une lettre écrite à l'un de ses collègues, comprend la plupart des expériences élémentaires aujourd'hui décrites dans les manuels de physique. » [6] Dans son traité de 1600 De Magnete, le médecin anglais William Gilbert crée le mot latin « electricus » pour désigner la propriété d'attirer les petits objets après frottement [7]. Le mot « électrique » dérive de l'anglais « electrick », qui dérive lui-même du latin « electricus » : « propre à l'ambre [8] ». Le mot latin ēlectrum dérive du grec ἤλεκτρον / êlectron désignant l'ambre.

Francis Hauksbee dans les années 1700 et C. F. du Fay en 1737 découvrent indépendamment deux sortes d'électricité : l'une obtenue en frottant du verre et l'autre engendrée en frottant de la résine. Du Fay en conclut que l'électricité peut se réduire à deux fluides électriques, « vitreux » et « résineux », que l'on sépare par frottement, et que l'on peut recombiner ensemble [9]. Une décennie plus tard, Benjamin Franklin soutient que l'électricité ne diffère pas des autres types de fluides électriques mais qu'il s'agit de la même chose, sous des pressions différentes. Il lui apporte la terminologie moderne de charge positive ou négative respectivemement [10], [11].

Entre 1838 et 1851, le naturaliste britannique Richard Laming développe l'idée qu'un atome est composé d'un noyau de matière, entouré de particules subatomiques qui ont une charge électrique unité [12]. À partir de 1846, le physicien allemand Wilhelm Eduard Weber défend la théorie que l'électricité est composée de fluides chargés positivement et négativement, et qu'une loi en carré inverse régit leur interaction [13]. Après avoir étudié l' électrolyse en 1874, le physicien irlandais George Stoney suggère qu'il existe « une seule quantité définie d'électricité » : la charge d'un ion monovalent. Ce postulat lui donne la capacité d'estimer la valeur de cette charge élémentaire e à partir des lois de l'électrolyse de Faraday [14]. Cependant, Stoney croit que ces charges sont attachées de façon permanente aux atomes, et ne peuvent donc leur être enlevées [15]. En 1881, le physicien allemand Hermann von Helmholtz est convaincu que les charges positives et négatives sont composées de parties élémentaires, chacune « se comportant comme des atomes d'électricité [16] ».

En 1894, Stoney invente le terme d'« électron » pour désigner ces charges élémentaires, écrivant « [...] une estimation a été faite de la valeur réelle de cette unité fondamentale très remarquable d'électricité, pour laquelle je me suis risqué à proposer le nom d'"électron" » [17]. Le mot électron est une combinaison du mot « électrique » et du suffixe «  -on », ce dernier étant par la suite utilisé pour désigner une particule subatomique, comme le proton ou le neutron [18], [19].

Découverte

Dessin d'un homme debout habillé d'un complet, avec lunettes et barbiche blanche, qui tient dans sa main un objet en verre.
William Crookes et son tube, ancêtre des tubes cathodiques, sont devenus notoires en Grande-Bretagne, comme en témoigne cette caricature publiée en 1902 par le journal satirique Vanity Fair. La légende de cette image était « ubi Crookes ibi lux », ce qui signifie littéralement « Où il y a Crookes, il y a de la lumière » en latin. C'est une allusion religieuse (« crux », la croix) et peut-être aussi un jeu de mots sur les escrocs (« crooks ») et les illuminés, car il s'est aussi intéressé au spiritisme.

Pendant le XIXe siècle, les physiciens allemands Julius Plücker et Johann Wilhelm Hittorf étudient la conductivité électrique des gaz dans des ampoules de verre scellées munies d'une cathode et d'une anode [20] qui permettent de soumettre le gaz à un courant électrique. En 1869, Hittorf observe l'émission, par la cathode, de « faisceaux de particules » chargées si l'ampoule contient un gaz à basse pression [21], [22]. En 1876, le physicien allemand Eugen Goldstein montre que les rayons de cette lueur provoquent une ombre, et il les appelle rayons cathodiques [23]. Pendant les années 1870, le chimiste et physicien anglais William Crookes met au point le premier tube à rayons cathodiques avec un vide poussé à l'intérieur — nommé par la suite «  tube de Crookes [24] ». Puis il montre que les rayons lumineux apparaissant dans le tube transmettent de l'énergie, et se déplacent de la cathode vers l' anode. De plus, en appliquant un champ magnétique, il est capable de défléchir les rayons, montrant ainsi que le faisceau se comporte comme s'il était chargé [25], [26]. En 1879, il propose d'expliquer ces propriétés par ce qu'il appelle « matière radiante ». Il estime qu'il s'agit d'un quatrième état de la matière, consistant en molécules chargées négativement, projetées à grande vitesse de la cathode [27].

Le physicien britannique né allemand Arthur Schuster développe les expériences de Crookes en disposant des plaques métalliques parallèlement aux rayons cathodiques, par lesquelles il peut appliquer différents potentiels électriques. Le champ électrique défléchit les rayons vers la plaque chargée positivement, ce qui renforce la preuve que les rayons portent une charge négative. En mesurant la déflexion selon la différence de potentiel, Schuster est capable en 1890 de mesurer le rapport masse sur charge des composants des rayons. Cependant, son calcul donne une valeur plus de mille fois inférieure à la valeur attendue, si bien que les contemporains n'accordent que peu de confiance à son calcul [25], [28]. En 1895, le thésard et futur physicien français Jean Perrin établit expérimentalement la nature corpusculaire de l'électron, alors que plusieurs scientifiques de cette époque considèrent l'électron comme une onde [29], [30].

En 1896-1897, le physicien britannique Joseph John Thomson et ses collègues John Townsend et Harold A. Wilson réalisent des expériences indiquant que les rayons cathodiques sont effectivement des particules individualisées, plutôt que des ondes, des atomes ou des molécules comme les spécialistes le croient à l'époque [31], [32]. Thomson fait de bonnes estimations à la fois de la charge e et de la masse m, trouvant que les particules des rayons cathodiques, qu'il appelle « corpuscules », ont environ un millième de la masse de l'ion le plus léger connu alors : l' hydrogène [33]. Il montre que le rapport charge sur masse e/m est indépendant de la matière de la cathode. Il montre de plus que les particules chargées négativement produites par les matériaux radioactifs, les matières chauffées et les matières illuminées sont les mêmes [34]. Son travail considérable sur la déflexion des rayons cathodiques dans un champ électrique est probablement la raison pour laquelle on lui attribue la découverte de l'électron [35], [36], [37]. Le nom d'électron est proposé à nouveau par le physicien irlandais George F. Fitzgerald, cette fois avec succès [25]. Historiquement, l'électron est la première particule élémentaire mise en évidence [38].

Photo en noir et blanc de la tête d'un homme barbu.
Le physicien français Henri Becquerel, qui a découvert la radioactivité naturelle, a montré en 1896 que les rayons bêta émis par le radium sont défléchis par un champ électrique [38]. Photo prise avant 1908.

En 1900, Paul Drude propose de considérer l'ensemble des électrons d'un métal comme un gaz parfait. Il parvient alors à justifier théoriquement une conclusion expérimentale selon laquelle les bons conducteurs électriques sont aussi de bons conducteurs thermiques. Même si son hypothèse est fausse selon les connaissances actuelles, ce concept de « gaz parfait d'électrons » est encore utilisé en mécanique quantique [39].

En étudiant les minéraux naturellement fluorescents, le physicien français Henri Becquerel découvre que ceux-ci émettent des rayonnements en l'absence de toute source d'énergie externe. Ces matériaux radioactifs provoquent l'engouement des scientifiques, y compris celui du physicien néo-zélandais Ernest Rutherford, qui découvre qu'ils émettent des particules. Il leur donne le nom de particules alpha, bêta et gamma, selon leur pouvoir de pénétration de la matière [40]. En 1900, Becquerel montre que les rayons bêta émis par le radium sont défléchis par un champ électrique, et que leur rapport masse sur charge est le même que celui des rayons cathodiques [41]. Ce résultat conforte l'idée que les électrons existent comme composants des atomes [42], [43].

La charge de l'électron est mesurée de façon plus précise par le physicien américain Robert Millikan par son expérience sur la goutte d'huile de 1909, dont il publie les résultats en 1911. Cette expérience utilise un champ électrique pour compenser la pesanteur et empêcher ainsi une goutte d'huile chargée de tomber. Ce système permet de mesurer la charge électrique depuis quelques ions jusqu'à 150, avec une marge d'erreur de moins de 0,3 %. Des expériences comparables ont été faites plus tôt par le groupe de Thomson, en utilisant des brouillards de gouttelettes d'eau chargées par électrolyse [31] et en 1911 par Abram Ioffé, qui a obtenu indépendamment le même résultat que Millikan en utilisant des microparticules de métal, et a publié ses résultats en 1913 [44]. Cependant, les gouttes d'huile, moins volatiles, se prêtent mieux à des expériences de longue durée [45].

Vers le début du XXe siècle, des physiciens découvrent que, sous certaines conditions, une particule rapide provoque sur sa trajectoire la condensation de la vapeur d'eau sursaturée. En 1911, le physicien écossais Charles Thomson Rees Wilson, l'un des collaborateurs de Thomson [46], utilise cet effet pour mettre au point sa chambre à brouillard, qui permet de photographier les traces de particules chargées, comme des électrons rapides [47], ce qui facilite donc leur étude.

Théorie de l'atome

Trois cercles concentriques autour d'un noyau, avec un électron allant du second au premier cercle, et relâchant un photon.
Le modèle de Bohr de l'atome, montrant les états de l'électron avec des énergies quantifiées par le nombre n. Un électron qui passe à une orbitale plus basse émet un photon possédant une énergie égale à la différence d'énergies entre les orbitales en question [48].

Les travaux du physicien néo-zélandais Ernest Rutherford, de 1909 à 1912, l'amènent à conclure que l' atome est constitué d'un petit noyau comprenant toute la charge positive et presque toute la masse de l'atome, noyau qui est entouré d'un nuage électronique [49], [50] (voir Expérience de Rutherford). Le physicien britannique Henry Moseley, qui travaille dans le laboratoire de Rutherford en 1913, établit avec certitude l'ordre des éléments chimiques dans le tableau périodique [51] (voir Loi de Moseley).

En 1913, le physicien danois Niels Bohr postule que les électrons sont dans des états quantifiés, dont l'énergie est déterminée par le moment angulaire autour du noyau. Les électrons peuvent passer d'un état à l'autre, par émission ou absorption de photons à des fréquences spécifiques. Au moyen de ces orbites quantifiées, il explique avec toute la précision requise les raies spectrales de l'atome d'hydrogène [52].

Les travaux des physiciens allemands James Franck et Gustav Hertz, de 1912 à 1914, prouvent la quantification des niveaux d'énergie des électrons dans les atomes et confirment donc les hypothèses du modèle de l'atome de Bohr [53] (voir Expérience de Franck et Hertz). Toutes ces expériences établissent solidement la structure de l'atome comme un noyau chargé positivement et entouré d'électrons de masse plus faible [54].

Cependant, le modèle de Bohr ne peut rendre compte des intensités relatives des raies spectrales, ni expliquer les spectres d'atomes plus complexes [54]. Malgré ces faiblesses, ce modèle atomique servira d'argument en faveur de la théorie des quanta [55].

Les liaisons chimiques entre atomes sont expliquées par Gilbert Lewis, qui propose en 1916 que la liaison covalente entre atomes est une paire d'électrons partagés [56]. Plus tard, en 1927, Walter Heitler et Fritz London expliquent complètement la formation des paires d'électrons et des liaisons chimiques en termes de mécanique quantique [57]. En 1919, le chimiste américain Irving Langmuir raffine le modèle statique d'atome de Lewis, et suggère que tous les électrons sont distribués sur des « couches concentriques (à peu près) sphériques, toutes de même épaisseur [58] ». Les couches sont à leur tour divisées en un certain nombre de cellules, chacune contenant une paire d'électrons. Avec ce modèle, Langmuir explique qualitativement les propriétés chimiques de tous les éléments du tableau périodique [57], que les scientifiques rapprochent selon la loi de similitude [59].

En 1924, le physicien autrichien Wolfgang Pauli remarque que la structure en couches de l'atome s'explique par le jeu de quatre paramètres qui définissent tous les états énergétiques, tant que chaque état n'est occupé que par un seul électron [60], [61]. Cette interdiction faite à deux électrons d'occuper le même état est devenue connue sous le nom de «  principe d'exclusion de Pauli ». Le mécanisme déterminant le quatrième paramètre et ses deux valeurs, est fourni par les physiciens néerlandais Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck, quand ils suggèrent que l'électron, outre le moment angulaire de son orbite, pourrait avoir un moment angulaire intrinsèque [54], [62]. Cette propriété devient notoire sous le nom de «  spin » : elle explique le dédoublement des raies spectrales observé avec un spectrographe à haute résolution, qui est resté mystérieux jusque-là ; ce phénomène est connu sous le nom de structure hyperfine des raies [63]. Le principe de Pauli explique pourquoi la matière dite ordinaire crée ce qui est appelé le « volume » de la matière [64], [65], [66], [67], [68].

La mécanique quantique

Les électrons possèdent, comme toute la matière, la propriété quantique d'être à la fois ondes et corpuscules, si bien qu'ils peuvent avoir des collisions avec d'autres particules, et être diffractés comme la lumière. Cette dualité est facile à constater avec les électrons en raison de leur faible masse. Un électron, en raison de son spin, est un fermion, et satisfait donc au principe d'exclusion de Pauli [69].

En 1887, l' effet photoélectrique est observé par Heinrich Hertz alors qu'il étudie les ondes électromagnétiques [70], et plusieurs scientifiques ont tenté d'en expliquer les mécanismes, sans résultat. Vingt ans plus tard, en 1905, Albert Einstein propose une première explication, qui lui vaudra le prix Nobel de physique de 1921 [71]. Selon lui, des électrons sont émis par la matière seulement si la fréquence de la lumière est supérieure à un certain seuil. Pour y parvenir, il introduit le concept de photon, en utilisant celui de quantum d'énergie récemment proposé dans un tout autre contexte par Max Planck. L'explication d'Einstein sera l'un des premiers arguments en faveur de la théorie des quanta [72]. En 1923, Arthur Compton observe l'allongement de la longueur d'onde du photon causée par la diffusion qui porte son nom, laquelle est provoquée par l'interaction des photons et des électrons. « Ces résultats expérimentaux [sont] les premiers à convaincre la majorité des physiciens de la validité de la théorie quantique [73]. »

Dans sa publication Recherches sur la théorie des quanta, en 1924, le physicien français Louis de Broglie émet l'hypothèse que toute matière possède une onde de De Broglie semblable à la lumière [74]. C'est-à-dire que, selon les conditions, les électrons et autres particules matérielles montrent les propriétés soit de particules, soit d'ondes. Les propriétés corpusculaires d'une particule sont patentes quand elle apparaît à tout moment localisée à un endroit dans l'espace le long d'une trajectoire [75]. La nature ondulatoire est observée, par exemple, quand un faisceau passe à travers des fentes parallèles et crée des figures d' interférence. En 1927, l'effet d'interférence avec un faisceau d'électrons est montré par le physicien anglais George Paget Thomson, au moyen d'un mince film métallique, et par les physiciens américains Clinton Davisson et Lester Germer en utilisant un cristal de nickel [76].

Un nuage bleu symétrique décroissant en intensité du centre vers le bord
En mécanique quantique, le comportement d'un électron dans un atome est décrit par une orbitale, qui est une distribution de probabilité plutôt qu'une orbite. Sur la figure, l'intensité de la coloration correspond à la probabilité relative de la présence de l'électron de cette orbitale en ce point.

Le succès de la prédiction de De Broglie conduit à la publication par Erwin Schrödinger, en 1926, de l' équation de Schrödinger qui décrit avec succès la propagation des électrons en tant qu'onde [77]. Plutôt que de fournir une solution donnant la position d'un électron, cette équation d'onde peut être utilisée pour calculer la probabilité de trouver un électron dans un certain volume. Cette approche est ultérieurement nommée mécanique quantique, et donne une très bonne approximation des états d'énergie dans l'atome d'hydrogène [78]. Une fois le spin et les interactions entre les électrons pris en compte, la mécanique quantique modélise avec succès le comportement des électrons dans les atomes plus complexes que celui de l'hydrogène [79].

En 1928, améliorant le travail de Wolfgang Pauli [80], le physicien britannique Paul Dirac conçoit un modèle de l'électron — l' équation de Dirac — compatible avec la théorie de la relativité et la mécanique quantique [81]. Pour résoudre certaines lacunes de son équation relativiste, Dirac développe en 1930 un modèle de vide avec une mer infinie de particules d'énergie négative, parfois nommée « mer de Dirac ». Ceci le conduit à prédire l'existence du positron, équivalent de l'électron dans l' antimatière [82], « entité » physique également prédite par Dirac [83], [84]. Le positron est découvert par Carl D. Anderson, qui propose d'appeler les électrons standard « négatrons » et d'utiliser le terme « électron » comme terme générique pour désigner les deux charges sans distinction. Cet usage du terme « négatron » est encore rencontré à l'occasion, et peut être abrégée en « négaton » [85], [86].

En 1947, le physicien américain Willis Lamb, en collaboration avec le thésard Robert Retherford, découvre que certains états quantiques de l'atome d'hydrogène, qui devraient avoir la même énergie, se distinguent par un certain décalage [87], c'est le décalage de Lamb. À peu près au même moment, le physicien germano-américain Polykarp Kusch, travaillant avec Henry M. Foley, découvre que le moment magnétique de l'électron est un peu plus grand que celui prédit par la théorie de Dirac. Cet écart sera ultérieurement appelé «  moment magnétique anomal » de l'électron. Pour résoudre ces problèmes, une théorie plus élaborée, appelée «  électrodynamique quantique », est mise au point par Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger et Richard Feynman à la fin des années 1940 [88], [89], [90].

Photo en noir et blanc. Plusieurs hommes sont assis sur des chaises, lesquelles sont disposées sur des marches qui mènent à un immeuble.
Photo des participants du 5e Congrès Solvay tenu en 1927 sur le thème « Électrons et photons ». Plusieurs ont réalisé des travaux marquants sur les propriétés de l'électron ou ont mis au point des instruments importants pour les étudier :
  1. Niels Bohr : modèle atomique où les couches électroniques sont quantifiées ( modèle de Bohr)
  2. Louis de Broglie : hypothèse, vérifiée, de la dualité onde-corpuscule de l'électron
  3. Arthur Compton : diffusion inélastique d'un photon sur un électron d'un atome ( diffusion Compton)
  4. Paul Dirac : équation de Dirac, qui décrit le comportement de particules élémentaires de spins demi-entiers, comme les électrons
  5. Albert Einstein : explication de l' effet photoélectrique, une émission d'électrons sous l'influence de la lumière
  6. Charles-Eugène Guye : expériences qui démontrent la dépendance de la masse de l'électron à sa vitesse
  7. Wolfgang Pauli : principe d'exclusion de Pauli (les électrons ne peuvent pas se trouver au même endroit dans le même état quantique)
  8. Erwin Schrödinger : équation de Schrödinger, qui décrit l'évolution dans le temps d'une particule massive non relativiste, tel l'électron
  9. Charles Thomson Rees Wilson : chambre à brouillard, qui permet d'étudier différentes propriétés des particules, tels les électrons
Dix-sept lauréats du prix Nobel apparaissent sur cette photo. C'est pendant ce congrès que commencent les débats Bohr-Einstein sur les conséquences philosophiques de la mécanique quantique [91].
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