Électron - Electron

Électron
Nuages-orbitaux atomiques spd m0.png
Orbitales atomiques d' hydrogène à différents niveaux d'énergie. Les zones les plus opaques sont celles où l'on est le plus susceptible de trouver un électron à un moment donné.
Composition Particule élémentaire
Statistiques Fermionique
Famille Lepton
Génération D'abord
Interactions Gravité , électromagnétique , faible
symbole
e
,
??
Antiparticule Positron
Théorisé Richard Laming (1838-1851),
G. Johnstone Stoney (1874) et autres.
Découvert JJ Thomson (1897)
Masse 9.109 383 7015 (28) × 10 −31  kg
5,485 799 090 70 (16) × 10 −4  u
[1 822 .888 4845 (14) ] -1  u
0,510 998 950 00 (15)  MeV/ c 2
Durée de vie moyenne stable ( > 6,6 × 10 28  ans )
Charge électrique -1  e
−1.602 176 634 × 10 −19  C
−4.803 204 51 (10) × 10 −10  esu
Moment magnétique -1,001 159 652 180 91 (26)  μ B
Tournoyer 1/2
Isospin faible LH : −1/2, HR : 0
Hypercharge faible LH : -1, RH : -2

L' électron est une particule subatomique , (notée par le symbole
e
ou
??
) dont la charge électrique est négative une charge élémentaire . Les électrons appartiennent à la première génération de la famille des particules leptoniques et sont généralement considérés comme des particules élémentaires car ils n'ont pas de composants ou de sous-structure connus. L'électron a une masse qui est approximativement 1/1836 de celle du proton . Quantum mécaniques propriétés de l'électron comprennent un intrinsèque moment angulaire ( de rotation ) d'une valeur de demi-entier, exprimée en unités de la constante de Planck réduite , ħ . Étant des fermions , deux électrons ne peuvent pas occuper le même état quantique , conformément au principe d'exclusion de Pauli . Comme toutes les particules élémentaires, les électrons présentent des propriétés à la fois de particules et d'ondes : ils peuvent entrer en collision avec d'autres particules et peuvent être diffractés comme la lumière. Les propriétés ondulatoires des électrons sont plus faciles à observer expérimentalement que celles d'autres particules comme les neutrons et les protons car les électrons ont une masse plus faible et donc une longueur d' onde de de Broglie plus longue pour une énergie donnée.

Les électrons jouent un rôle essentiel dans de nombreux phénomènes physiques , tels que l' électricité , le magnétisme , la chimie et la conductivité thermique , et ils participent également aux interactions gravitationnelles , électromagnétiques et faibles . Puisqu'un électron a une charge, il a un champ électrique environnant , et si cet électron se déplace par rapport à un observateur, ledit observateur l'observera pour générer un champ magnétique . Les champs électromagnétiques produits par d'autres sources affecteront le mouvement d'un électron selon la loi de la force de Lorentz . Les électrons rayonnent ou absorbent de l'énergie sous forme de photons lorsqu'ils sont accélérés. Les instruments de laboratoire sont capables de piéger des électrons individuels ainsi que du plasma d'électrons par l'utilisation de champs électromagnétiques. Des télescopes spéciaux peuvent détecter le plasma d'électrons dans l'espace. Les électrons sont impliqués dans de nombreuses applications telles que la tribologie ou la charge par friction, l'électrolyse, l'électrochimie, les technologies des batteries, l' électronique , la soudure , les tubes cathodiques , la photoélectricité, les panneaux solaires photovoltaïques, les microscopes électroniques , la radiothérapie , les lasers , les détecteurs à ionisation gazeuse et les accélérateurs de particules .

Les interactions impliquant des électrons avec d'autres particules subatomiques présentent un intérêt dans des domaines tels que la chimie et la physique nucléaire . L' interaction de force coulombienne entre les protons positifs à l' intérieur des noyaux atomiques et les électrons négatifs à l'extérieur, permet la composition des deux appelés atomes . L'ionisation ou les différences dans les proportions d'électrons négatifs par rapport aux noyaux positifs modifient l' énergie de liaison d'un système atomique. L'échange ou le partage des électrons entre deux ou plusieurs atomes est la principale cause de la liaison chimique . En 1838, le philosophe naturel britannique Richard Laming a d' abord émis l'hypothèse du concept d'une quantité indivisible de charge électrique pour expliquer les propriétés chimiques des atomes. Le physicien irlandais George Johnstone Stoney a nommé cette charge « électron » en 1891, et JJ Thomson et son équipe de physiciens britanniques l'ont identifié comme une particule en 1897 lors de l' expérience du tube cathodique . Les électrons peuvent également participer à des réactions nucléaires , telles que la nucléosynthèse dans les étoiles , où ils sont connus sous le nom de particules bêta . Électrons peuvent être créés par la désintégration bêta des isotopes radioactifs et dans des collisions à haute énergie, par exemple , lorsque les rayons cosmiques entrent dans l'atmosphère. L' antiparticule de l'électron s'appelle le positon ; il est identique à l'électron sauf qu'il porte une charge électrique de signe opposé. Lorsqu'un électron entre en collision avec un positron , les deux particules peuvent être annihilées , produisant des photons gamma .

Histoire

Découverte de l'effet de la force électrique

Les anciens Grecs ont remarqué que l' ambre attirait les petits objets lorsqu'il était frotté avec de la fourrure. Avec la foudre , ce phénomène est l'une des premières expériences enregistrées par l'humanité avec l' électricité . Dans son traité De Magnete de 1600 , le scientifique anglais William Gilbert a inventé le nouveau terme latin electrica , pour désigner les substances ayant des propriétés similaires à celles de l'ambre qui attirent les petits objets après avoir été frottées. L' électricité et l' électricité sont toutes deux dérivées du latin ēlectrum (également la racine de l' alliage du même nom ), qui vient du mot grec pour ambre, ἤλεκτρον ( ēlektron ).

Découverte de deux types de charges

Au début des années 1700, le chimiste français Charles François du Fay a découvert que si une feuille d'or chargée est repoussée par du verre frotté avec de la soie, alors la même feuille d'or chargée est attirée par de l'ambre frotté avec de la laine. À partir de cela et d'autres résultats de types d'expériences similaires, du Fay a conclu que l'électricité se compose de deux fluides électriques , le fluide vitreux du verre frotté avec de la soie et le fluide résineux de l'ambre frotté avec de la laine. Ces deux fluides peuvent se neutraliser lorsqu'ils sont combinés. Le scientifique américain Ebenezer Kinnersley est également arrivé plus tard de manière indépendante à la même conclusion. Une décennie plus tard, Benjamin Franklin a proposé que l'électricité ne provenait pas de différents types de fluides électriques, mais d'un seul fluide électrique présentant un excès (+) ou un déficit (-). Il leur a donné la nomenclature de charge moderne respectivement positive et négative. Franklin pensait que le porteur de charge était positif, mais il n'a pas correctement identifié quelle situation était un excédent du porteur de charge et quelle situation était un déficit.

Entre 1838 et 1851, le philosophe naturel britannique Richard Laming a développé l'idée qu'un atome est composé d'un noyau de matière entouré de particules subatomiques ayant des charges électriques unitaires . À partir de 1846, le physicien allemand Wilhelm Eduard Weber a émis l'hypothèse que l'électricité était composée de fluides chargés positivement et négativement et que leur interaction était régie par la loi du carré inverse . Après avoir étudié le phénomène de l' électrolyse en 1874, le physicien irlandais George Johnstone Stoney a suggéré qu'il existait une « quantité définie unique d'électricité », la charge d'un ion monovalent . Il a pu estimer la valeur de cette charge élémentaire e au moyen des lois de l'électrolyse de Faraday . Cependant, Stoney croyait que ces charges étaient attachées en permanence aux atomes et ne pouvaient pas être supprimées. En 1881, le physicien allemand Hermann von Helmholtz a soutenu que les charges positives et négatives étaient divisées en parties élémentaires, dont chacune « se comporte comme des atomes d'électricité ».

Stoney a d'abord inventé le terme électrolion en 1881. Dix ans plus tard, il est passé à l' électron pour décrire ces charges élémentaires, en écrivant en 1894 : "... une estimation a été faite de la quantité réelle de cette unité fondamentale d'électricité la plus remarquable, pour laquelle Depuis, je me suis aventuré à suggérer le nom d' électron ". Une proposition 1906 au changement de electrion a échoué parce que Hendrik Lorentz a préféré garder électronique . Le mot électron est une combinaison des mots electr ic et i on . Le suffixe - sur lequel est désormais utilisé pour désigner d'autres particules subatomiques, comme un proton ou un neutron, est quant à lui dérivé de l'électron.

Découverte des électrons libres hors de la matière

Un tube à vide en verre rond avec un faisceau circulaire lumineux à l'intérieur
Un faisceau d'électrons dévié en cercle par un champ magnétique

En étudiant la conductivité électrique dans les gaz raréfiés en 1859, le physicien allemand Julius Plücker a observé que le rayonnement émis par la cathode faisait apparaître une lumière phosphorescente sur la paroi du tube près de la cathode ; et la région de la lumière phosphorescente pouvait être déplacée par application d'un champ magnétique. En 1869, l'étudiant de Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, découvrit qu'un corps solide placé entre la cathode et la phosphorescence projetterait une ombre sur la région phosphorescente du tube. Hittorf a déduit qu'il y a des rayons droits émis par la cathode et que la phosphorescence a été causée par les rayons frappant les parois du tube. En 1876, le physicien allemand Eugen Goldstein montra que les rayons étaient émis perpendiculairement à la surface de la cathode, ce qui distinguait les rayons émis par la cathode et la lumière incandescente. Goldstein a surnommé les rayons rayons cathodiques . Des décennies de recherche expérimentale et théorique impliquant des rayons cathodiques ont été importantes dans la découverte éventuelle des électrons par JJ Thomson .

Au cours des années 1870, le chimiste et physicien anglais Sir William Crookes a développé le premier tube à rayons cathodiques doté d'un vide poussé à l' intérieur. Il montra ensuite en 1874 que les rayons cathodiques peuvent faire tourner une petite roue à aubes lorsqu'ils sont placés sur leur chemin. Par conséquent, il a conclu que les rayons portaient de la quantité de mouvement. De plus, en appliquant un champ magnétique, il a pu dévier les rayons, démontrant ainsi que le faisceau se comportait comme s'il était chargé négativement. En 1879, il a proposé que ces propriétés pourraient être expliquées en considérant les rayons cathodiques comme composés de molécules gazeuses chargées négativement dans un quatrième état de la matière dans lequel le libre parcours moyen des particules est si long que les collisions peuvent être ignorées.

Le physicien britannique d'origine allemande Arthur Schuster a développé les expériences de Crookes en plaçant des plaques métalliques parallèles aux rayons cathodiques et en appliquant un potentiel électrique entre les plaques. Le champ a dévié les rayons vers la plaque chargée positivement, fournissant une preuve supplémentaire que les rayons portaient une charge négative. En mesurant la quantité de déviation pour un niveau de courant donné , en 1890, Schuster a pu estimer le rapport charge-masse des composants des rayons. Cependant, cela a produit une valeur plus de mille fois supérieure à ce qui était attendu, si peu de crédibilité a été accordée à ses calculs à l'époque. En effet, il a été supposé que les porteurs de charge étaient des atomes d'hydrogène ou d' azote beaucoup plus lourds . Les estimations de Schuster s'avéreraient par la suite largement correctes.

En 1892, Hendrik Lorentz a suggéré que la masse de ces particules (électrons) pourrait être une conséquence de leur charge électrique.

En étudiant les minéraux naturellement fluorescents en 1896, le physicien français Henri Becquerel a découvert qu'ils émettaient des radiations sans aucune exposition à une source d'énergie externe. Ces matières radioactives ont suscité beaucoup d'intérêt de la part des scientifiques, dont le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford qui a découvert qu'elles émettaient des particules. Il a désigné ces particules alpha et bêta , sur la base de leur capacité à pénétrer la matière. En 1900, Becquerel montra que les rayons bêta émis par le radium pouvaient être déviés par un champ électrique, et que leur rapport masse/charge était le même que pour les rayons cathodiques. Cette preuve a renforcé l'idée que les électrons existaient en tant que composants des atomes.

En 1897, le physicien britannique JJ Thomson , avec ses collègues John S. Townsend et HA Wilson , a réalisé des expériences indiquant que les rayons cathodiques étaient vraiment des particules uniques, plutôt que des ondes, des atomes ou des molécules comme on le croyait auparavant. Thomson a fait de bonnes estimations à la fois de la charge e et de la masse m , découvrant que les particules de rayons cathodiques, qu'il appelait « corpuscules », avaient peut-être un millième de la masse de l'ion le moins massif connu : l'hydrogène. Il a montré que leur rapport charge/masse, e / m , était indépendant du matériau de la cathode. Il montra en outre que les particules chargées négativement produites par les matières radioactives, par les matières chauffées et par les matières illuminées étaient universelles. Le nom d'électron a été adopté pour ces particules par la communauté scientifique, principalement en raison de l'invocation de GF FitzGerald , J. Larmor et HA Lorentz . La même année, Emil Wiechert et Walter Kaufmann ont également calculé le rapport e/m mais ils n'ont pas réussi à interpréter leurs résultats tandis que JJ Thomson donnerait ensuite en 1899 des estimations pour la charge et la masse des électrons : e~6,8 × 10 −10 esu et m~3 × 10 −26 g

La charge de l'électron a été mesurée plus soigneusement par les physiciens américains Robert Millikan et Harvey Fletcher dans leur expérience de goutte d'huile de 1909, dont les résultats ont été publiés en 1911. Cette expérience a utilisé un champ électrique pour empêcher une gouttelette d'huile chargée de tomber comme un résultat de la gravité. Cet appareil pourrait mesurer la charge électrique d'aussi peu que 1 à 150 ions avec une marge d'erreur de moins de 0,3 %. Des expériences comparables avaient été faites plus tôt par l'équipe de Thomson, en utilisant des nuages ​​de gouttelettes d'eau chargées générées par électrolyse, et en 1911 par Abram Ioffe , qui a obtenu indépendamment le même résultat que Millikan en utilisant des microparticules chargées de métaux, puis a publié ses résultats en 1913. Cependant, les gouttes d'huile étaient plus stables que les gouttes d'eau en raison de leur taux d'évaporation plus lent, et donc plus adaptées à une expérimentation précise sur de plus longues périodes.

Vers le début du vingtième siècle, on a découvert que, dans certaines conditions, une particule chargée se déplaçant rapidement provoquait une condensation de vapeur d'eau sursaturée le long de son trajet. En 1911, Charles Wilson a utilisé ce principe pour concevoir sa chambre à brouillard afin de pouvoir photographier les traces de particules chargées, telles que les électrons en mouvement rapide.

Théorie atomique

Trois cercles concentriques autour d'un noyau, avec un électron se déplaçant du deuxième au premier cercle et libérant un photon
Le modèle de Bohr de l'atome , montrant les états d'un électron dont l'énergie est quantifiée par le nombre n. Un électron tombant sur une orbite inférieure émet un photon égal à la différence d'énergie entre les orbites.

En 1914, les expériences des physiciens Ernest Rutherford , Henry Moseley , James Franck et Gustav Hertz avaient largement établi la structure d'un atome comme un noyau dense de charge positive entouré d'électrons de masse inférieure. En 1913, le physicien danois Niels Bohr a postulé que les électrons résidaient dans des états d'énergie quantifiés, leurs énergies étant déterminées par le moment angulaire de l'orbite de l'électron autour du noyau. Les électrons pourraient se déplacer entre ces états, ou orbites, par l'émission ou l'absorption de photons de fréquences spécifiques. Au moyen de ces orbites quantifiées, il expliqua avec précision les raies spectrales de l'atome d'hydrogène. Cependant, le modèle de Bohr n'a pas tenu compte des intensités relatives des raies spectrales et il n'a pas réussi à expliquer les spectres d'atomes plus complexes.

Les liaisons chimiques entre les atomes ont été expliquées par Gilbert Newton Lewis , qui en 1916 a proposé qu'une liaison covalente entre deux atomes soit maintenue par une paire d'électrons partagés entre eux. Plus tard, en 1927, Walter Heitler et Fritz London ont donné l'explication complète de la formation de paires d'électrons et de la liaison chimique en termes de mécanique quantique . En 1919, le chimiste américain Irving Langmuir a élaboré sur le modèle statique de l'atome de Lewis et a suggéré que tous les électrons étaient distribués dans des "coques concentriques (presque) sphériques successives, toutes d'égale épaisseur". À son tour, il a divisé les coquilles en un certain nombre de cellules contenant chacune une paire d'électrons. Avec ce modèle, Langmuir a pu expliquer qualitativement les propriétés chimiques de tous les éléments du tableau périodique, qui étaient connus pour se répéter en grande partie selon la loi périodique .

En 1924, le physicien autrichien Wolfgang Pauli a observé que la structure en forme de coquille de l'atome pouvait s'expliquer par un ensemble de quatre paramètres définissant chaque état d'énergie quantique, tant que chaque état n'était occupé que par un seul électron. Cette interdiction contre plus d'un électron occupant le même état d'énergie quantique est devenue connue sous le nom de principe d'exclusion de Pauli . Le mécanisme physique pour expliquer le quatrième paramètre, qui avait deux valeurs possibles distinctes, a été fourni par les physiciens néerlandais Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck . En 1925, ils ont suggéré qu'un électron, en plus du moment cinétique de son orbite, possède un moment cinétique intrinsèque et un moment dipolaire magnétique . Ceci est analogue à la rotation de la Terre sur son axe lorsqu'elle orbite autour du Soleil. Le moment angulaire intrinsèque est devenu connu sous le nom de spin et a expliqué la séparation auparavant mystérieuse des raies spectrales observées avec un spectrographe à haute résolution ; ce phénomène est connu sous le nom de division de structure fine .

Mécanique quantique

Dans sa thèse de 1924 Recherches sur la théorie des quanta (Recherche sur la théorie quantique), le physicien français Louis de Broglie a émis l'hypothèse que toute matière peut être représentée comme une onde de Broglie à la manière de la lumière . C'est-à-dire que dans les conditions appropriées, les électrons et autres matières présenteraient les propriétés des particules ou des ondes. Les propriétés corpusculaires d'une particule sont démontrées lorsqu'on lui montre qu'elle a une position localisée dans l'espace le long de sa trajectoire à un instant donné. La nature ondulatoire de la lumière est affichée, par exemple, lorsqu'un faisceau de lumière passe à travers des fentes parallèles, créant ainsi des motifs d' interférence . En 1927, George Paget Thomson a découvert que l'effet d'interférence était produit lorsqu'un faisceau d'électrons était passé à travers de fines feuilles métalliques et par les physiciens américains Clinton Davisson et Lester Germer par la réflexion d'électrons à partir d'un cristal de nickel .

Un nuage bleu à symétrie sphérique qui diminue en intensité du centre vers l'extérieur
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. Dans la figure, l'ombrage indique la probabilité relative de "trouver" l'électron, ayant l'énergie correspondant aux nombres quantiques donnés , à ce point.

La prédiction de De Broglie d'une nature ondulatoire pour les électrons a conduit Erwin Schrödinger à postuler une équation d'onde pour les électrons se déplaçant sous l'influence du noyau de l'atome. En 1926, cette équation, l' équation de Schrödinger , décrit avec succès comment les ondes électroniques se propagent. Plutôt que de fournir une solution qui détermine l'emplacement d'un électron au fil du temps, cette équation d'onde pourrait également être utilisée pour prédire la probabilité de trouver un électron près d'une position, en particulier une position près de l'endroit où l'électron était lié dans l'espace, pour laquelle l'électron les équations d'onde n'ont pas changé dans le temps. Cette approche a conduit à une deuxième formulation de la mécanique quantique (la première par Heisenberg en 1925), et les solutions de l'équation de Schrödinger, comme celle de Heisenberg, ont fourni des dérivations des états d'énergie d'un électron dans un atome d'hydrogène qui étaient équivalentes à celles qui avaient été dérivées d'abord par Bohr en 1913, et qui étaient connus pour reproduire le spectre de l'hydrogène. Une fois le spin et l'interaction entre plusieurs électrons descriptibles, la mécanique quantique a permis de prédire la configuration des électrons dans les atomes de numéro atomique supérieur à l'hydrogène.

En 1928, s'appuyant sur les travaux de Wolfgang Pauli, Paul Dirac a produit un modèle de l'électron - l' équation de Dirac , compatible avec la théorie de la relativité , en appliquant des considérations relativistes et de symétrie à la formulation hamiltonienne de la mécanique quantique du champ électromagnétique. Afin de résoudre certains problèmes au sein de son équation relativiste, Dirac a développé en 1930 un modèle du vide comme une mer infinie de particules d'énergie négative, plus tard surnommée la mer de Dirac . Cela l'a amené à prédire l'existence d'un positon, la contrepartie antimatière de l'électron. Cette particule a été découverte en 1932 par Carl Anderson , qui a proposé d'appeler les électrons standard des négatons et d'utiliser l' électron comme terme générique pour décrire à la fois les variantes chargées positivement et négativement.

En 1947, Willis Lamb , en collaboration avec l'étudiant diplômé Robert Retherford , a découvert que certains états quantiques de l'atome d'hydrogène, qui devraient avoir la même énergie, étaient décalés les uns par rapport aux autres ; la différence a été appelée le décalage d'agneau . À peu près à la même époque, Polykarp Kusch , en collaboration avec Henry M. Foley , a découvert que le moment magnétique de l'électron est légèrement plus grand que ce que prédit la théorie de Dirac. Cette petite différence a été appelée plus tard moment dipolaire magnétique anormal de l'électron. Cette différence a été expliquée plus tard par la théorie de l'électrodynamique quantique , développée par Sin-Itiro Tomonaga , Julian Schwinger et Richard Feynman à la fin des années 1940.

Accélérateurs de particules

Avec le développement de l' accélérateur de particules au cours de la première moitié du XXe siècle, les physiciens ont commencé à approfondir les propriétés des particules subatomiques . La première tentative réussie d'accélérer des électrons en utilisant l'induction électromagnétique a été faite en 1942 par Donald Kerst . Son bêtatron initial a atteint des énergies de 2,3 MeV, tandis que les bêtatrons suivants ont atteint 300 MeV. En 1947, le rayonnement synchrotron a été découvert avec un synchrotron à électrons de 70 MeV à General Electric . Ce rayonnement a été causé par l'accélération des électrons à travers un champ magnétique alors qu'ils se déplaçaient près de la vitesse de la lumière.

Avec une énergie de faisceau de 1,5 GeV, le premier collisionneur de particules à haute énergie était ADONE , qui a commencé ses opérations en 1968. Cet appareil a accéléré les électrons et les positons dans des directions opposées, doublant efficacement l'énergie de leur collision par rapport à la frappe d'une cible statique avec un électron. Le Grand collisionneur électron-positon (LEP) du CERN , qui a fonctionné de 1989 à 2000, a atteint des énergies de collision de 209 GeV et effectué des mesures importantes pour le modèle standard de la physique des particules.

Confinement des électrons individuels

Les électrons individuels peuvent désormais être facilement confinés dans des transistors CMOS ultra petits ( L = 20 nm , W = 20 nm ) fonctionnant à une température cryogénique sur une plage de -269 °C (4  K ) à environ -258 °C (15  K ). La fonction d'onde électronique se propage dans un réseau semi-conducteur et interagit de manière négligeable avec les électrons de la bande de valence, elle peut donc être traitée dans le formalisme à particule unique, en remplaçant sa masse par le tenseur de masse effectif .

Caractéristiques

Classification

Un tableau avec quatre lignes et quatre colonnes, chaque cellule contenant un identifiant de particule
Modèle standard des particules élémentaires. L'électron (symbole e) est à gauche.

Dans le modèle standard de la physique des particules, les électrons appartiennent au groupe de particules subatomiques appelées leptons , qui sont considérées comme des particules fondamentales ou élémentaires . Les électrons ont la masse la plus faible de tout lepton chargé (ou particule chargée électriquement de tout type) et appartiennent à la première génération de particules fondamentales. La deuxième et la troisième génération contiennent des leptons chargés, le muon et le tau , qui sont identiques à l'électron en charge, spin et interactions , mais sont plus massifs. Les leptons se distinguent de l'autre constituant de base de la matière, les quarks , par leur absence d' interaction forte . Tous les membres du groupe des leptons sont des fermions, car ils ont tous un spin entier semi-impair ; l'électron a un spin1/2.

Propriétés fondamentales

La masse invariante d'un électron est d'environ9,109 × 10 −31  kilogrammes, ou5,489 × 10 −4  unités de masse atomique . En raison de l'équivalence masse-énergie , cela correspond à une énergie au repos de 0,511 MeV . Le rapport entre la masse d'un proton et celle d'un électron est d'environ 1836. Les mesures astronomiques montrent que le rapport de masse proton-électron a conservé la même valeur, comme le prédit le modèle standard, pendant au moins la moitié de l' âge de l'univers .

Les électrons ont une charge électrique de−1.602 176 634 × 10 −19 coulombs , qui est utilisé comme unité standard de charge pour les particules subatomiques, et est également appelé la charge élémentaire . Dans les limites de la précision expérimentale, la charge de l'électron est identique à la charge d'un proton, mais de signe opposé. Comme le symbole e est utilisé pour la charge élémentaire , l' électron est communément symbolisé par
e
, où le signe moins indique la charge négative. Le positron est symbolisé par
e+
car il a les mêmes propriétés que l'électron mais avec une charge positive plutôt que négative.

L'électron a un moment angulaire intrinsèque ou spin de1/2. Cette propriété est généralement énoncée en se référant à l'électron comme un spin-1/2particule. Pour de telles particules, la magnitude de spin est??/2, tandis que le résultat de la mesure d'une projection du spin sur n'importe quel axe ne peut être que ±??/2. En plus du spin, l'électron a un moment magnétique intrinsèque le long de son axe de spin. Il est approximativement égal à un magnéton de Bohr , qui est une constante physique égale à9,274 009 15 (23) × 10 −24  joules par tesla . L'orientation du spin par rapport à la quantité de mouvement de l'électron définit la propriété des particules élémentaires appelée hélicité .

L'électron n'a pas de sous- structure connue . Néanmoins, en physique de la matière condensée , une séparation spin-charge peut se produire dans certains matériaux. Dans de tels cas, les électrons se « divisent » en trois particules indépendantes, le spinon , l' orbiton et le holon (ou chargon). L'électron peut toujours être théoriquement considéré comme un état lié des trois, avec le spinon portant le spin de l'électron, l'orbite portant le degré de liberté orbital et le chargon portant la charge, mais dans certaines conditions ils peuvent se comporter comme des quasiparticules indépendantes .

La question du rayon de l'électron est un problème difficile de la physique théorique moderne. L'admission de l'hypothèse d'un rayon fini de l'électron est incompatible avec les prémisses de la théorie de la relativité. En revanche, un électron ponctuel (rayon nul) génère de sérieuses difficultés mathématiques dues à l' auto-énergie de l'électron tendant vers l'infini. L'observation d'un seul électron dans un piège de Penning suggère que la limite supérieure du rayon de la particule est de 10 à 22  mètres. La limite supérieure du rayon des électrons de 10 -18  mètres peut être dérivée en utilisant la relation d'incertitude en énergie. Il existe également une constante physique appelée « rayon électronique classique », avec la valeur beaucoup plus grande de2,8179 × 10 −15  m , plus grand que le rayon du proton. Cependant, la terminologie provient d'un calcul simpliste qui ignore les effets de la mécanique quantique ; en réalité, le rayon électronique dit classique a peu à voir avec la véritable structure fondamentale de l'électron.

Il existe des particules élémentaires qui se désintègrent spontanément en particules moins massives. Un exemple est le muon , avec une durée de vie moyenne de2,2 × 10 −6  secondes, qui se désintègre en un électron, un neutrino muonique et un antineutrino électronique . L'électron, d'autre part, est considéré comme stable sur des bases théoriques : l'électron est la particule la moins massive avec une charge électrique non nulle, donc sa désintégration violerait la conservation de la charge . La borne inférieure expérimentale de la durée de vie moyenne de l'électron est6,6 × 10 28 ans, à un niveau de confiance de 90 % .

Propriétés quantiques

Comme pour toutes les particules, les électrons peuvent agir comme des ondes. C'est ce qu'on appelle la dualité onde-particule et peut être démontrée à l'aide de l' expérience à double fente .

La nature ondulatoire de l'électron lui permet de traverser simultanément deux fentes parallèles, plutôt qu'une seule fente comme ce serait le cas pour une particule classique. En mécanique quantique, la propriété ondulatoire d'une particule peut être décrite mathématiquement comme une fonction à valeur complexe , la fonction d'onde , communément désignée par la lettre grecque psi ( ψ ). Lorsque la valeur absolue de cette fonction est mise au carré , cela donne la probabilité qu'une particule soit observée à proximité d'un emplacement - une densité de probabilité .

Une projection en trois dimensions d'un tracé en deux dimensions.  Il y a des collines symétriques le long d'un axe et des vallées symétriques le long de l'autre, donnant à peu près une forme de selle
Exemple d'une fonction d'onde antisymétrique pour un état quantique de deux fermions identiques dans une boîte à 1 dimension . Si les particules changent de position, la fonction d'onde inverse son signe.

Les électrons sont des particules identiques car elles ne peuvent pas être distinguées les unes des autres par leurs propriétés physiques intrinsèques. En mécanique quantique, cela signifie qu'une paire d'électrons en interaction doit être capable d'échanger des positions sans changement observable de l'état du système. La fonction d'onde des fermions, y compris les électrons, est antisymétrique, ce qui signifie qu'elle change de signe lorsque deux électrons sont échangés ; c'est-à-dire ψ ( r 1 , r 2 ) = − ψ ( r 2 , r 1 ) , où les variables r 1 et r 2 correspondent respectivement aux premier et deuxième électrons. Comme la valeur absolue n'est pas modifiée par un échange de signe, cela correspond à des probabilités égales. Les bosons , comme le photon, ont plutôt des fonctions d'onde symétriques.

Dans le cas de l'antisymétrie, les solutions de l'équation d'onde pour les électrons en interaction donnent une probabilité nulle que chaque paire occupe le même emplacement ou le même état. Ceci est responsable du principe d'exclusion de Pauli , qui empêche deux électrons d'occuper le même état quantique. Ce principe explique de nombreuses propriétés des électrons. Par exemple, cela amène des groupes d'électrons liés à occuper différentes orbitales dans un atome, plutôt que de se chevaucher tous sur la même orbite.

Particules virtuelles

Dans une image simplifiée, qui a souvent tendance à donner une fausse idée mais peut servir à illustrer certains aspects, chaque photon passe un certain temps comme une combinaison d'un électron virtuel et de son antiparticule, le positon virtuel, qui s'annihilent rapidement peu de temps après. La combinaison de la variation d'énergie nécessaire pour créer ces particules, et le temps pendant lequel elles existent, tombent sous le seuil de détectabilité exprimé par la relation d'incertitude de Heisenberg , E  · Δ t  ≥  ħ . En effet, l'énergie nécessaire pour créer ces particules virtuelles, Δ E , peut être « empruntée » à partir du vide pendant une période de temps, Δ T , de sorte que leur produit est plus que la constante de Planck réduite , ħ6,6 × 10 −16  eV·s . Ainsi, pour un électron virtuel, t est au plus1,3 × 10 −21  s .

Une sphère avec un signe moins en bas à gauche symbolise l'électron, tandis que des paires de sphères avec des signes plus et moins montrent les particules virtuelles
Une représentation schématique de paires virtuelles électron-positon apparaissant au hasard près d'un électron (en bas à gauche)

Alors qu'une paire virtuelle électron-positon existe, la force de Coulomb du champ électrique ambiant entourant un électron provoque l'attraction d'un positon créé vers l'électron d'origine, tandis qu'un électron créé subit une répulsion. Cela provoque ce qu'on appelle la polarisation du vide . En effet, le vide se comporte comme un milieu ayant une permittivité diélectrique supérieure à l' unité . Ainsi, la charge effective d'un électron est en réalité plus petite que sa vraie valeur, et la charge diminue avec l'augmentation de la distance à l'électron. Cette polarisation a été confirmée expérimentalement en 1997 à l'aide de l' accélérateur de particules japonais TRISTAN . Les particules virtuelles provoquent un effet de blindage comparable pour la masse de l'électron.

L'interaction avec les particules virtuelles explique également la faible déviation (environ 0,1%) du moment magnétique intrinsèque de l'électron par rapport au magnéton de Bohr (le moment magnétique anormal ). L'accord extraordinairement précis de cette différence prédite avec la valeur déterminée expérimentalement est considéré comme l'une des grandes réalisations de l'électrodynamique quantique .

Le paradoxe apparent en physique classique d'un électron de particule ponctuelle ayant un moment angulaire et un moment magnétique intrinsèques peut s'expliquer par la formation de photons virtuels dans le champ électrique généré par l'électron. Ces photons peuvent être considérés de manière heuristique comme provoquant le déplacement de l'électron de manière instable (appelée zitterbewegung ), ce qui entraîne un mouvement circulaire net avec précession . Ce mouvement produit à la fois le spin et le moment magnétique de l'électron. Dans les atomes, cette création de photons virtuels explique le décalage de Lamb observé dans les raies spectrales . La longueur d'onde de Compton montre qu'à proximité de particules élémentaires telles que l'électron, l'incertitude de l'énergie permet la création de particules virtuelles à proximité de l'électron. Cette longueur d'onde explique la "statique" des particules virtuelles autour des particules élémentaires à une distance proche.

Interaction

Un électron génère un champ électrique qui exerce une force d'attraction sur une particule de charge positive, comme le proton, et une force de répulsion sur une particule de charge négative. La force de cette force dans l'approximation non relativiste est déterminée par la loi du carré inverse de Coulomb . Lorsqu'un électron est en mouvement, il génère un champ magnétique . La loi d'Ampère-Maxwell relie le champ magnétique au mouvement de masse des électrons (le courant ) par rapport à un observateur. Cette propriété de l'induction fournit le champ magnétique qui entraîne un moteur électrique . Le champ électromagnétique d'une particule chargée en mouvement arbitraire est exprimé par les potentiels de Liénard-Wiechert , qui sont valables même lorsque la vitesse de la particule est proche de celle de la lumière ( relativiste ).

Un graphique avec des arcs montrant le mouvement des particules chargées
Une particule de charge q (à gauche) se déplace à la vitesse v à travers un champ magnétique B orienté vers le spectateur. Pour un électron, q est négatif donc il suit une trajectoire courbe vers le haut.

Lorsqu'un électron se déplace dans un champ magnétique, il est soumis à la force de Lorentz qui agit perpendiculairement au plan défini par le champ magnétique et la vitesse de l'électron. Cette force centripète amène l'électron à suivre une trajectoire hélicoïdale à travers le champ à un rayon appelé gyroradius . L'accélération de ce mouvement de courbure induit l'électron à émettre de l'énergie sous forme de rayonnement synchrotron. L'émission d'énergie provoque à son tour un recul de l'électron, connu sous le nom de force d'Abraham-Lorentz-Dirac , qui crée une friction qui ralentit l'électron. Cette force est causée par une contre-réaction du propre champ de l'électron sur lui-même.

Une courbe montre le mouvement de l'électron, un point rouge montre le noyau et une ligne ondulée le photon émis
Ici, Bremsstrahlung est produit par un électron e dévié par le champ électrique d'un noyau atomique. La variation d'énergie E 2  −  E 1 détermine la fréquence f du photon émis.

Les photons assurent la médiation des interactions électromagnétiques entre les particules en électrodynamique quantique . Un électron isolé à vitesse constante ne peut ni émettre ni absorber un photon réel ; cela violerait la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement . Au lieu de cela, les photons virtuels peuvent transférer la quantité de mouvement entre deux particules chargées. Cet échange de photons virtuels, par exemple, génère la force de Coulomb. L'émission d'énergie peut se produire lorsqu'un électron en mouvement est dévié par une particule chargée, comme un proton. L'accélération de l'électron entraîne l'émission d'un rayonnement de Bremsstrahlung .

Une collision inélastique entre un photon (lumière) et un électron solitaire (libre) est appelée diffusion Compton . Cette collision entraîne un transfert de quantité de mouvement et d'énergie entre les particules, ce qui modifie la longueur d'onde du photon d'une quantité appelée décalage de Compton . L'amplitude maximale de ce décalage de longueur d'onde est h / m e c , qui est connue sous le nom de longueur d'onde de Compton . Pour un électron, il a une valeur de2,43 × 10 −12  m . Lorsque la longueur d'onde de la lumière est longue (par exemple, la longueur d'onde de la lumière visible est de 0,4 à 0,7 µm), le décalage de longueur d'onde devient négligeable. Une telle interaction entre la lumière et les électrons libres est appelée diffusion Thomson ou diffusion Thomson linéaire.

La force relative de l'interaction électromagnétique entre deux particules chargées, comme un électron et un proton, est donnée par la constante de structure fine . Cette valeur est une quantité sans dimension formée par le rapport de deux énergies : l'énergie électrostatique d'attraction (ou de répulsion) à une séparation d'une longueur d'onde de Compton, et l'énergie au repos de la charge. Il est donné par α  ≈ 7,297 353 × 10 −3 , ce qui est approximativement égal à1/137.

Lorsque les électrons et les positons entrent en collision, ils s'annihilent , donnant naissance à deux ou plusieurs photons gamma. Si l'électron et le positon ont une quantité de mouvement négligeable, un atome de positronium peut se former avant que l'annihilation ne donne deux ou trois photons gamma totalisant 1,022 MeV. D'autre part, un photon de haute énergie peut se transformer en un électron et un positon par un processus appelé production de paires , mais uniquement en présence d'une particule chargée à proximité, comme un noyau.

Dans la théorie de l' interaction électrofaible , la composante gauche de la fonction d'onde de l'électron forme un doublet d' isospin faible avec le neutrino électronique . Cela signifie que lors d' interactions faibles , les neutrinos électroniques se comportent comme des électrons. L'un ou l'autre membre de ce doublet peut subir une interaction de courant chargé en émettant ou en absorbant un
W
et être converti en l'autre membre. La charge est conservée au cours de cette réaction car le boson W porte également une charge, annulant tout changement net au cours de la transmutation. Les interactions de courant chargé sont responsables du phénomène de désintégration bêta dans un atome radioactif . L'électron et le neutrino électronique peuvent subir une interaction de courant neutre via un
Z0
échange, et ceci est responsable de la diffusion élastique des neutrinos-électrons .

Atomes et molécules

Un tableau de cinq lignes et cinq colonnes, chaque cellule représentant une densité de probabilité codée par couleur
Densités de probabilité pour les premières orbitales d'atomes d'hydrogène, vues en coupe transversale. Le niveau d'énergie d'un électron lié détermine l'orbitale qu'il occupe et la couleur reflète la probabilité de trouver l'électron à une position donnée.

Un électron peut être lié au noyau d'un atome par la force attractive de Coulomb. Un système d'un ou plusieurs électrons liés à un noyau s'appelle un atome. Si le nombre d'électrons est différent de la charge électrique du noyau, un tel atome est appelé ion . Le comportement ondulatoire d'un électron lié est décrit par une fonction appelée orbitale atomique . Chaque orbitale a son propre ensemble de nombres quantiques tels que l'énergie, le moment angulaire et la projection du moment angulaire, et seul un ensemble discret de ces orbitales existe autour du noyau. Selon le principe d'exclusion de Pauli, chaque orbitale peut être occupée par jusqu'à deux électrons, qui doivent différer par leur nombre quantique de spin .

Les électrons peuvent être transférés entre différentes orbitales par l'émission ou l'absorption de photons avec une énergie qui correspond à la différence de potentiel. D'autres méthodes de transfert orbital incluent les collisions avec des particules, telles que les électrons, et l' effet Auger . Pour échapper à l'atome, l'énergie de l'électron doit être augmentée au-dessus de son énergie de liaison à l'atome. Cela se produit, par exemple, avec l' effet photoélectrique , où un photon incident dépassant l' énergie d'ionisation de l'atome est absorbé par l'électron.

Le moment angulaire orbital des électrons est quantifié . Parce que l'électron est chargé, il produit un moment magnétique orbital proportionnel au moment cinétique. Le moment magnétique net d'un atome est égal à la somme vectorielle des moments magnétiques orbitaux et de spin de tous les électrons et du noyau. Le moment magnétique du noyau est négligeable devant celui des électrons. Les moments magnétiques des électrons qui occupent la même orbitale (appelés électrons appariés) s'annulent.

La liaison chimique entre les atomes résulte d'interactions électromagnétiques, telles que décrites par les lois de la mécanique quantique. Les liaisons les plus fortes sont formées par le partage ou le transfert d'électrons entre atomes, permettant la formation de molécules . Au sein d'une molécule, les électrons se déplacent sous l'influence de plusieurs noyaux, et occupent des orbitales moléculaires ; autant qu'ils peuvent occuper des orbitales atomiques dans des atomes isolés. Un facteur fondamental dans ces structures moléculaires est l'existence de paires d'électrons . Ce sont des électrons à spins opposés, leur permettant d'occuper la même orbitale moléculaire sans violer le principe d'exclusion de Pauli (un peu comme dans les atomes). Différentes orbitales moléculaires ont une distribution spatiale différente de la densité électronique. Par exemple, dans les paires liées (c'est-à-dire dans les paires qui lient réellement les atomes ensemble), les électrons peuvent être trouvés avec la probabilité maximale dans un volume relativement petit entre les noyaux. En revanche, dans les paires non liées, les électrons sont répartis dans un grand volume autour des noyaux.

Conductivité

Quatre éclairs frappent le sol
Une décharge de foudre consiste principalement en un flux d'électrons. Le potentiel électrique nécessaire à la foudre peut être généré par un effet triboélectrique.

Si un corps a plus ou moins d'électrons qu'il n'en faut pour équilibrer la charge positive des noyaux, alors cet objet a une charge électrique nette. Lorsqu'il y a un excès d'électrons, l'objet est dit chargé négativement. Lorsqu'il y a moins d'électrons que le nombre de protons dans les noyaux, l'objet est dit chargé positivement. Lorsque le nombre d'électrons et le nombre de protons sont égaux, leurs charges s'annulent et l'objet est dit électriquement neutre. Un corps macroscopique peut développer une charge électrique par frottement, par effet triboélectrique .

Les électrons indépendants se déplaçant dans le vide sont appelés électrons libres . Les électrons dans les métaux se comportent également comme s'ils étaient libres. En réalité, les particules communément appelées électrons dans les métaux et autres solides sont des quasi-électrons - des quasi- particules , qui ont la même charge électrique, le même spin et le même moment magnétique que les électrons réels mais peuvent avoir une masse différente. Lorsque les électrons libres, à la fois dans le vide et dans les métaux, se déplacent, ils produisent un flux net de charge appelé courant électrique , qui génère un champ magnétique. De même, un courant peut être créé par un champ magnétique changeant. Ces interactions sont décrites mathématiquement par les équations de Maxwell .

A une température donnée, chaque matériau a une conductivité électrique qui détermine la valeur du courant électrique lorsqu'un potentiel électrique est appliqué. Des exemples de bons conducteurs comprennent des métaux tels que le cuivre et l'or, tandis que le verre et le téflon sont de mauvais conducteurs. Dans tout matériau diélectrique , les électrons restent liés à leurs atomes respectifs et le matériau se comporte comme un isolant . La plupart des semi - conducteurs ont un niveau de conductivité variable qui se situe entre les extrêmes de conduction et d'isolation. D'autre part, les métaux ont une structure de bande électronique contenant des bandes électroniques partiellement remplies. La présence de telles bandes permet aux électrons dans les métaux de se comporter comme s'il s'agissait d' électrons libres ou délocalisés . Ces électrons ne sont pas associés à des atomes spécifiques. Ainsi, lorsqu'un champ électrique est appliqué, ils sont libres de se déplacer comme un gaz (appelé gaz de Fermi ) à travers le matériau, tout comme les électrons libres.

En raison des collisions entre les électrons et les atomes, la vitesse de dérive des électrons dans un conducteur est de l'ordre de quelques millimètres par seconde. Cependant, la vitesse à laquelle un changement de courant en un point du matériau provoque des changements de courants dans d'autres parties du matériau, la vitesse de propagation , est typiquement d'environ 75 % de la vitesse de la lumière. Cela se produit parce que les signaux électriques se propagent sous forme d'onde, la vitesse dépendant de la constante diélectrique du matériau.

Les métaux sont de relativement bons conducteurs de chaleur, principalement parce que les électrons délocalisés sont libres de transporter l'énergie thermique entre les atomes. Cependant, contrairement à la conductivité électrique, la conductivité thermique d'un métal est presque indépendante de la température. Ceci est exprimé mathématiquement par la loi de Wiedemann-Franz , qui stipule que le rapport de la conductivité thermique à la conductivité électrique est proportionnel à la température. Le désordre thermique dans le réseau métallique augmente la résistivité électrique du matériau, produisant une dépendance à la température pour le courant électrique.

Lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'un point appelé température critique , les matériaux peuvent subir une transition de phase au cours de laquelle ils perdent toute résistivité au courant électrique, dans un processus appelé supraconductivité . Dans la théorie BCS , les paires d'électrons appelées paires de Cooper ont leur mouvement couplé à la matière voisine via des vibrations de réseau appelées phonons , évitant ainsi les collisions avec les atomes qui créent normalement une résistance électrique. (Les paires de Cooper ont un rayon d'environ 100 nm, elles peuvent donc se chevaucher.) Cependant, le mécanisme par lequel les supraconducteurs à haute température fonctionnent reste incertain.

Les électrons à l'intérieur des solides conducteurs, qui sont eux-mêmes des quasi-particules, lorsqu'ils sont étroitement confinés à des températures proches du zéro absolu , se comportent comme s'ils s'étaient divisés en trois autres quasi - particules : les spinons , les orbites et les holons . Le premier porte le spin et le moment magnétique, le suivant porte sa position orbitale tandis que le dernier se charge électriquement.

Mouvement et énergie

Selon la théorie de la relativité restreinte d'Einstein , à mesure que la vitesse d'un électron approche de la vitesse de la lumière , du point de vue d'un observateur, sa masse relativiste augmente, ce qui rend de plus en plus difficile son accélération à partir du cadre de référence de l'observateur. La vitesse d'un électron peut approcher, mais jamais atteindre, la vitesse de la lumière dans le vide, c . Cependant, lorsque des électrons relativistes, c'est-à-dire des électrons se déplaçant à une vitesse proche de c, sont injectés dans un milieu diélectrique tel que l'eau, où la vitesse locale de la lumière est nettement inférieure à c , les électrons se déplacent temporairement plus rapidement que la lumière dans le milieu. . Lorsqu'ils interagissent avec le milieu, ils génèrent une faible lumière appelée rayonnement Cherenkov .

Le tracé commence à zéro et s'incurve fortement vers le haut vers la droite
Facteur de Lorentz en fonction de la vitesse. Il commence à la valeur 1 et va à l'infini lorsque v se rapproche de c .

Les effets de la relativité restreinte sont basés sur une quantité connue sous le nom de facteur de Lorentz , défini comme où v est la vitesse de la particule. L'énergie cinétique K e d'un électron se déplaçant à la vitesse v est :

m e est la masse de l'électron. Par exemple, l'accélérateur linéaire de Stanford peut accélérer un électron jusqu'à environ 51 GeV. Puisqu'un électron se comporte comme une onde, à une vitesse donnée, il a une longueur d'onde caractéristique de Broglie . Ceci est donné par λ e  =  h / ph est la constante de Planck et p est la quantité de mouvement. Pour l'électron de 51 GeV ci-dessus, la longueur d'onde est d'environ2,4 × 10 −17  m , assez petit pour explorer des structures bien inférieures à la taille d'un noyau atomique.

Formation

Un photon s'approche du noyau par la gauche, l'électron et le positon résultants se déplaçant vers la droite
Production par paire d'un électron et d'un positron, provoquée par l'approche rapprochée d'un photon avec un noyau atomique. Le symbole de la foudre représente un échange d'un photon virtuel, donc une force électrique agit. L'angle entre les particules est très petit.

La théorie du Big Bang est la théorie scientifique la plus largement acceptée pour expliquer les premières étapes de l'évolution de l'Univers. Pendant la première milliseconde du Big Bang, les températures dépassaient les 10 milliards de  kelvins et les photons avaient des énergies moyennes supérieures à un million d' électronvolts . Ces photons étaient suffisamment énergétiques pour pouvoir réagir entre eux pour former des paires d'électrons et de positons. De même, les paires positron-électron se sont annihilées et ont émis des photons énergétiques :


??
+
??
??
e+
+
e

Un équilibre entre les électrons, les positrons et les photons a été maintenu durant cette phase de l'évolution de l'Univers. Après 15 secondes, cependant, la température de l'univers est tombée en dessous du seuil où la formation d'électrons-positons pourrait se produire. La plupart des électrons et positrons survivants se sont annihilés, libérant un rayonnement gamma qui a brièvement réchauffé l'univers.

Pour des raisons encore incertaines, lors du processus d'annihilation, il y a eu un excès du nombre de particules par rapport aux antiparticules. Par conséquent, environ un électron pour chaque milliard de paires électron-positon a survécu. Cet excès correspondait à l'excès de protons par rapport aux antiprotons, dans une condition connue sous le nom d' asymétrie baryonique , entraînant une charge nette de zéro pour l'univers. Les protons et les neutrons survivants ont commencé à participer à des réactions les uns avec les autres - dans le processus connu sous le nom de nucléosynthèse , formant des isotopes d'hydrogène et d' hélium , avec des traces de lithium . Ce processus a culminé après environ cinq minutes. Tous les neutrons restants ont subi une désintégration bêta négative avec une demi-vie d'environ mille secondes, libérant un proton et un électron dans le processus,


m

p
+
e
+
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e

Pour environ la prochaine 300 000400 000  ans , les électrons en excès sont restés trop énergétiques pour se lier aux noyaux atomiques . Ce qui a suivi est une période connue sous le nom de recombinaison , au cours de laquelle des atomes neutres se sont formés et l'univers en expansion est devenu transparent au rayonnement.

Environ un million d'années après le big bang, la première génération d' étoiles a commencé à se former. Au sein d'une étoile, la nucléosynthèse stellaire aboutit à la production de positons à partir de la fusion de noyaux atomiques. Ces particules d'antimatière s'annihilent immédiatement avec les électrons, libérant des rayons gamma. Le résultat net est une réduction constante du nombre d'électrons et une augmentation correspondante du nombre de neutrons. Cependant, le processus d' évolution stellaire peut aboutir à la synthèse d'isotopes radioactifs. Les isotopes sélectionnés peuvent ensuite subir une désintégration bêta négative, émettant un électron et un antineutrino à partir du noyau. Un exemple est l' isotope cobalt-60 ( 60 Co), qui se désintègre pour former du nickel-60 (60
Ni
).

Un arbre ramifié représentant la production de particules
Une douche d'air prolongée générée par un rayon cosmique énergétique frappant l'atmosphère terrestre

En fin de vie, une étoile de plus de 20 masses solaires environ peut subir un effondrement gravitationnel pour former un trou noir . Selon la physique classique , ces objets stellaires massifs exercent une attraction gravitationnelle suffisamment forte pour empêcher quoi que ce soit, même le rayonnement électromagnétique , de s'échapper au-delà du rayon de Schwarzschild . Cependant, on pense que les effets de la mécanique quantique permettent potentiellement l'émission de rayonnement de Hawking à cette distance. On pense que les électrons (et les positons) sont créés à l' horizon des événements de ces restes stellaires .

Lorsqu'une paire de particules virtuelles (telles qu'un électron et un positron) est créée à proximité de l'horizon des événements, un positionnement spatial aléatoire peut entraîner l'apparition de l'une d'entre elles à l'extérieur ; ce processus est appelé tunnel quantique . Le potentiel gravitationnel du trou noir peut alors fournir l'énergie qui transforme cette particule virtuelle en une particule réelle, lui permettant de rayonner dans l'espace. En échange, l'autre membre de la paire reçoit une énergie négative, ce qui entraîne une perte nette de masse-énergie par le trou noir. Le taux de rayonnement de Hawking augmente avec la diminution de la masse, provoquant finalement l'évaporation du trou noir jusqu'à ce qu'il explose finalement.

Les rayons cosmiques sont des particules voyageant dans l'espace avec de hautes énergies. Des événements énergétiques aussi élevés que3,0 × 10 20  eV ont été enregistrés. Lorsque ces particules entrent en collision avec des nucléons dans l' atmosphère terrestre , une pluie de particules est générée, dont des pions . Plus de la moitié du rayonnement cosmique observé depuis la surface de la Terre est constitué de muons . La particule appelée muon est un lepton produit dans la haute atmosphère par la désintégration d'un pion.


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+
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Un muon, à son tour, peut se désintégrer pour former un électron ou un positon.


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e
+
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e
+
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Observation

Une lueur verte tourbillonnante dans le ciel nocturne au-dessus du sol enneigé
Les aurores sont principalement causées par des électrons énergétiques qui se précipitent dans l' atmosphère .

L'observation à distance des électrons nécessite la détection de leur énergie rayonnée. Par exemple, dans des environnements à haute énergie tels que la couronne d'une étoile, les électrons libres forment un plasma qui rayonne de l'énergie due au rayonnement de Bremsstrahlung . Le gaz d'électrons peut subir des oscillations de plasma , qui sont des ondes causées par des variations synchronisées de la densité électronique, et celles-ci produisent des émissions d'énergie qui peuvent être détectées à l'aide de radiotélescopes .

La fréquence d'un photon est proportionnelle à son énergie. Lorsqu'un électron lié effectue des transitions entre différents niveaux d'énergie d'un atome, il absorbe ou émet des photons à des fréquences caractéristiques. Par exemple, lorsque des atomes sont irradiés par une source à large spectre, des lignes sombres distinctes apparaissent dans le spectre du rayonnement transmis aux endroits où la fréquence correspondante est absorbée par les électrons de l'atome. Chaque élément ou molécule affiche un ensemble caractéristique de raies spectrales, telles que la série spectrale de l' hydrogène . Lorsqu'elles sont détectées, les mesures spectroscopiques de la force et de la largeur de ces raies permettent de déterminer la composition et les propriétés physiques d'une substance.

Dans des conditions de laboratoire, les interactions d'électrons individuels peuvent être observées au moyen de détecteurs de particules , qui permettent de mesurer des propriétés spécifiques telles que l'énergie, le spin et la charge. Le développement du piège de Paul et du piège de Penning permet aux particules chargées d'être contenues dans une petite région pendant de longues durées. Cela permet des mesures précises des propriétés des particules. Par exemple, dans un cas, un piège de Penning a été utilisé pour contenir un seul électron pendant une période de 10 mois. Le moment magnétique de l'électron a été mesuré avec une précision de onze chiffres, ce qui, en 1980, était une précision supérieure à celle de toute autre constante physique.

Les premières images vidéo de la distribution d'énergie d'un électron ont été capturées par une équipe de l'Université de Lund en Suède, en février 2008. Les scientifiques ont utilisé des flashs de lumière extrêmement courts, appelés impulsions attosecondes , qui ont permis d'observer le mouvement d'un électron pour la première fois.

La distribution des électrons dans les matériaux solides peut être visualisée par spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES). Cette technique utilise l'effet photoélectrique pour mesurer l' espace réciproque - une représentation mathématique des structures périodiques qui est utilisée pour déduire la structure d'origine. ARPES peut être utilisé pour déterminer la direction, la vitesse et la diffusion des électrons dans le matériau.

Applications plasma

Faisceaux de particules

Un faisceau violet d'en haut produit une lueur bleue sur un modèle de navette spatiale
Lors d'un test en soufflerie de la NASA , une maquette de la navette spatiale est ciblée par un faisceau d'électrons, simulant l'effet des gaz ionisants lors de la rentrée .

Les faisceaux d'électrons sont utilisés en soudage . Ils permettent des densités d'énergie jusqu'à10 7  W·cm -2 sur un diamètre de foyer étroit de 0,1 à 1,3 mm et ne nécessitent généralement aucun matériau de remplissage. Cette technique de soudage doit être réalisée sous vide pour empêcher les électrons d'interagir avec le gaz avant d'atteindre leur cible, et elle peut être utilisée pour joindre des matériaux conducteurs qui seraient autrement considérés comme impropres au soudage.

La lithographie par faisceau d'électrons (EBL) est une méthode de gravure de semi-conducteurs à des résolutions inférieures au micromètre . Cette technique est limitée par des coûts élevés, des performances lentes, la nécessité d'opérer le faisceau dans le vide et la tendance des électrons à se disperser dans les solides. Le dernier problème limite la résolution à environ 10 nm. Pour cette raison, EBL est principalement utilisé pour la production de petits nombres de circuits intégrés spécialisés .

Le traitement par faisceau d'électrons est utilisé pour irradier des matériaux afin de modifier leurs propriétés physiques ou de stériliser des produits médicaux et alimentaires. Les faisceaux d'électrons fluidifient ou quasi-fondent les verres sans augmentation significative de la température lors d'une irradiation intensive : par exemple, un rayonnement électronique intensif provoque une diminution de plusieurs ordres de grandeur de la viscosité et une diminution progressive de son énergie d'activation.

Les accélérateurs linéaires de particules génèrent des faisceaux d'électrons pour le traitement des tumeurs superficielles en radiothérapie . La thérapie électronique peut traiter de telles lésions cutanées comme des carcinomes basocellulaires, car un faisceau d'électrons ne pénètre qu'à une profondeur limitée avant d'être absorbé, généralement jusqu'à 5 cm pour des énergies d'électrons comprises entre 5 et 20 MeV. Un faisceau d'électrons peut être utilisé pour compléter le traitement des zones qui ont été irradiées par des rayons X .

Les accélérateurs de particules utilisent des champs électriques pour propulser les électrons et leurs antiparticules à des énergies élevées. Ces particules émettent un rayonnement synchrotron lorsqu'elles traversent des champs magnétiques. La dépendance de l'intensité de ce rayonnement sur le spin polarise le faisceau d'électrons, un processus connu sous le nom d' effet Sokolov-Ternov . Les faisceaux d'électrons polarisés peuvent être utiles pour diverses expériences. Le rayonnement synchrotron peut également refroidir les faisceaux d'électrons pour réduire la propagation de la quantité de mouvement des particules. Des faisceaux d'électrons et de positons entrent en collision sur les particules accélérant jusqu'aux énergies requises ; les détecteurs de particules observent les émissions d'énergie qui en résultent, que la physique des particules étudie .

Imagerie

La diffraction électronique à basse énergie (LEED) est une méthode de bombardement d'un matériau cristallin avec un faisceau d'électrons collimaté, puis d'observation des diagrammes de diffraction résultants pour déterminer la structure du matériau. L'énergie requise des électrons est généralement comprise entre 20 et 200 eV. La technique de diffraction d'électrons à haute énergie par réflexion (RHEED) utilise la réflexion d'un faisceau d'électrons tiré à divers angles faibles pour caractériser la surface des matériaux cristallins. L'énergie du faisceau est généralement comprise entre 8 et 20 keV et l'angle d'incidence est de 1 à 4°.

Le microscope électronique dirige un faisceau focalisé d'électrons sur un échantillon. Certains électrons modifient leurs propriétés, telles que la direction du mouvement, l'angle, la phase relative et l'énergie lorsque le faisceau interagit avec le matériau. Les microscopistes peuvent enregistrer ces changements dans le faisceau d'électrons pour produire des images résolues atomiquement du matériau. En lumière bleue, les microscopes optiques conventionnels ont une résolution limitée par la diffraction d'environ 200 nm. Par comparaison, les microscopes électroniques sont limités par la longueur d' onde de de Broglie de l'électron. Cette longueur d'onde, par exemple, est égale à 0,0037 nm pour les électrons accélérés à travers un potentiel de 100 000 volts . Le microscope à transmission électronique à correction d'aberration est capable d'une résolution inférieure à 0,05 nm, ce qui est plus que suffisant pour résoudre des atomes individuels. Cette capacité fait du microscope électronique un instrument de laboratoire utile pour l'imagerie à haute résolution. Cependant, les microscopes électroniques sont des instruments coûteux qui sont coûteux à entretenir.

Il existe deux grands types de microscopes électroniques : à transmission et à balayage . Les microscopes électroniques à transmission fonctionnent comme des rétroprojecteurs , avec un faisceau d'électrons traversant une tranche de matériau puis projeté par des lentilles sur une lame photographique ou un dispositif à couplage de charge . Les microscopes électroniques à balayage rasteri un faisceau d'électrons finement focalisé, comme dans un téléviseur, à travers l'échantillon étudié pour produire l'image. Les grossissements vont de 100× à 1 000 000× ou plus pour les deux types de microscopes. Le microscope à effet tunnel utilise l'effet tunnel quantique des électrons d'une pointe métallique pointue dans le matériau étudié et peut produire des images résolues atomiquement de sa surface.

Autres applications

Dans le laser à électrons libres (FEL), un faisceau d'électrons relativiste traverse une paire d' onduleurs qui contiennent des réseaux d' aimants dipolaires dont les champs pointent dans des directions alternées. Les électrons émettent un rayonnement synchrotron qui interagit de manière cohérente avec les mêmes électrons pour amplifier fortement le champ de rayonnement à la fréquence de résonance . Le FEL peut émettre un rayonnement électromagnétique cohérent de haute brillance avec une large gamme de fréquences, des micro-ondes aux rayons X mous. Ces dispositifs sont utilisés dans la fabrication, la communication et dans des applications médicales, telles que la chirurgie des tissus mous.

Les électrons sont importants dans les tubes à rayons cathodiques , qui ont été largement utilisés comme dispositifs d'affichage dans les instruments de laboratoire, les écrans d'ordinateur et les téléviseurs . Dans un tube photomultiplicateur , chaque photon frappant la photocathode déclenche une avalanche d'électrons qui produit une impulsion de courant détectable. Les tubes à vide utilisent le flux d'électrons pour manipuler les signaux électriques, et ils ont joué un rôle essentiel dans le développement de la technologie électronique. Cependant, ils ont été largement supplantés par des dispositifs à semi-conducteurs tels que le transistor .

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes