Électron

Électron
Traduction à relire --- Article de Qualité (en) Electron → (fr) Électron --- (+)
 
Électron
Crookes tube-in use-lateral view-standing cross prPNr°11.jpgUne des premières expériences : le tube de Crookes crée un faisceau d'électrons naissant à la cathode (à g.) et allant grosso modo en ligne droite. L'anode, découpée en forme de croix de Malte, projette une ombre sur le fond du tube (à dr.) rendu luminescent par les électrons.
Propriétés générales
Classification Fermion
Composition Élémentaire
Groupe Lepton
Génération 1ère
Propriétés physiques
Masse 510,998 918 (44) keV.c-2
(9,109 382 6(16)×10-31 kg)
Charge électrique -1 e
(−1,60217653(14)×10-19 C)
Spin 1/2
Durée de vie Stable (expérimentalement, supérieure à 4,6.1026 années)
 
Historique
Prédiction Stoney (1874)
Découverte Thomson (1897)

L'électron est une particule élémentaire[1] de la famille des leptons. Il possède une charge électrique élémentaire de signe négatif. C’est l’un des composants de l’atome avec les neutrons et les protons.

Le concept d’une quantité indivisible de charge électrique a été élaboré dès 1838 par le naturaliste britannique Richard Laming afin d’expliquer les propriétés chimiques des atomes[2]. Le nom d’« électron » pour cette charge est dû au physicien irlandais George Stoney. L’électron a ensuite été identifié[3] comme le corpuscule envisagé par J. J. Thomson et son équipe de physiciens britanniques[4],[5] en 1897, suite à leurs travaux sur les rayons cathodiques.

Sommaire

Histoire

Articles connexes : Histoire de l'électricité et Électromagnétisme.

Les anciens Grecs avaient déjà remarqué que l'ambre attire les 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 notée en rapport avec l'électricité[6]. Dans son traité de 1600 De Magnete, le médecin anglais William Gilbert forge le mot bas-latin electricus, pour désigner cette propriété d'attirer les petits objets après frottement[7]. Les mots « électrique » et « électricité » sont dérivés du latin ēlectrum (aussi racine de l'alliage métallique électrum), dérivé à son tour du mot grec ἤλεκτρον (êlectron´) pour ambre.

En 1737, C. F. du Fay et Hawksbee découvrent ce qu'ils croyaient être deux sortes d'électricité : celle engendrée en frottant du verre et celle engendrée en frottant la résine. Du Fay conclut alors 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[8]. Une décennie plus tard, Benjamin Franklin affirme 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 nomenclature moderne de charge positive ou négative respectivemement[9],[10].

Entre 1838 et 1851, le naturaliste britannique Richard Laming (en) développe l'idée qu'un atome est composé d'un noyau de matière, entouré par des particules subatomiques qui ont une charge électrique unité[11]. À partir de 1846, le physicien allemand Wilhelm Eduard Weber émet la théorie que l'électricité est composée de fluides chargés positivement et négativement, et que leur interaction est régie par une loi en carré inverse. Après avoir étudié le phénomène d'électrolyse en 1874, le physicien irlandais George Stoney suggère qu'il existe « une seule quantité définie d'électricité », la charge d'un ion monovalent. Il était alors capable d'estimer la valeur de cette charge élémentaire e à partir des lois de l'électrolyse de Faraday[12]. Cependant, Stoney croyait que ces charges étaient attachées de façon permanente aux atomes, et ne pouvaient leur être enlevées. En 1881, le physicien allemand Hermann von Helmholtz argumenta que les charges positives et négatives étaient composées de parties élémentaires, chacune « se comportant comme des atomes d'électricité[2] ».

En 1894, Stoney forge le terme d'« électron » pour désigner ces charges élémentaires, disant « ... 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 » »[13]. Le mot électron est une combinaison du mot électrique et du suffixe -on, le dernier étant maintenant utilisé pour désigner une particule subatomique, comme le proton ou le neutron[14], [15].

Découverte

Une ampoule à vide en verre, avec un faisceau circulaire brillant à l'intérieur
Un faisceau d'électrons défléchis en cercle par un champ magnétique[16]

Le physicien allemand Johann Wilhelm Hittorf entreprend l'étude de la conductivité dans les gaz raréfiés. En 1869, il découvre une lueur émise par la cathode, dont la taille croît quand la pression du gaz diminue. En 1876, le physicien allemand Eugen Goldstein montre que les rayons de cette lueur provoquent une ombre, et il les appelle rayons cathodiques[17]. Pendant les années 1870, le chimiste et physicien anglais Sir William Crookes met au point le premier tube à rayons cathodiques avec un vide poussé à l'intérieur[18]. Puis il montre que les rayons luminescents 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 par là que le faisceau se comporte comme s'il est chargé négativement[19],[20]. En 1879, il propose que ces propriétés sont expliquées par ce qu'il appelle « matière radiante ». Il suggère que c'est un quatrième état de la matière, consistant en molécules chargées négativement, projetées à grande vitesse de la cathode[21].

Le physicien britannique né allemand Arthur Schuster développa les expériences de Crookes en disposant des plaques de métal parallèlement aux rayons cathodiques, et en appliquant une différence de potentiel électrique entre les plaques. 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 composantes des rayons. Cependant, ceci donna une valeur plus de mille fois plus faible que la valeur attendue, si bien que l'on n'accorda que peu de confiance à son calcul à l'époque[19],[22].

En 1896-1897, le physicien britannique J. J. Thomson, et ses collègues John S. Townsend (en) et H. A. Wilson (en)[4] réalisent des expériences indiquant que les rayons cathodiques sont effectivement des particules individualisées, plutôt que des ondes, des atomes ou des molécules comme il était cru avant. 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[5]. Il montre que le rapport charge sur masse e/m est indépendant de la matière de la cathode. Il montre en plus que les particules chargées négativement produites par les matériaux radioactifs, les matières chauffées et les matières illuminées sont universellement les mêmes[23]. Le nom d'électron a été reproposé par le physicien irlandais George F. Fitzgerald, ce qui a été maintenant accepté universellement[19].

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 deviennent le sujet de beaucoup d'intérêt de la part des scientifiques, y compris le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford, qui découvre qu'ils émettent des particules. Il désigne ces particules sous le nom de particules alpha et bêta, selon leur pouvoir de pénétrer à travers la matière[24]. 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[25]. Cette preuve renforçait l'idée que les électrons existent comme composants des atomes[26],[27].

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 empêcher une goutte d'huile chargée de tomber sous l'action de la pesanteur. Ce système pouvait mesurer la charge électrique depuis quelques ions jusqu'à 150, avec une marge d'erreur de moins de 0,3%. Des expériences comparables avaient été faites plus tôt par le groupe de Thomson, en utilisant des brouillards de gouttelettes d'eau chargées par électrolyse[4] et en 1911 par Abram Ioffé, qui a obtenu indépendamment le même résultat que Millikan en utilisant des microparticules de métal, et publia ses résultats en 1913[28]. Cependant, les gouttes d'huile étaient plus stables que les gouttes d'eau à cause de leur évaporation plus lente, et elles se prêtaient mieux à des expériences de longue durée[29].

Vers le début du XXe siècle, on trouve que sous certaines conditions, une particule rapide provoque la condensation d'une vapeur d'eau sursaturée le long du trajet. En 1911, Charles Wilson utilise ce principe pour mettre au point sa chambre à brouillard, qui permet de photographier les traces de particules chargées, comme des électrons rapides[30].

Théorie de l'atome

Trois cercles concentriques autour d'un noyau, avec un électron allant du second au premier cercel, 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 tombant vers une orbite plus basse émet un photon d'énergie égale à la différence d'énergies entre les orbites en question.

En 1914, les expériences des physiciens Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck et Gustav Hertz avaient solidement établi la structure de l'atome comme un noyau positivement chargé entouré d'électrons de masse plus faible[31]. En 1913, le physicien danois Niels Bohr postule que les électrons sont dans des états quantifiés, dont l'énergie est déterminée par le mouvement 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 précisément les raies spectrales de l'atome d'hydrogène[32]. Cependant, le modèle de Bohr n'arrivait pas à rendre compte des intensités relatives des raies spectrales, et pas non plus à expliquer les spectres d'atomes plus complexes[31].

Les liaisons chimiques entre atomes sont expliqués par Gilbert Lewis, qui propose en 1916 que la liaison covalente entre atomes est maintenue par une paire d'électrons qu'ils se partagent[33]. Plus tard, en 1927, Walter Heitler et Fritz London donnent toute l'explication de la formation de paire d'électrons et de liaison chimique en termes de mécanique quantique[34].

En 1919, le chimiste américain Irving Langmuir avait raffiné le modèle statique d'atome de Lewis, et suggéré que tous les électrons étaient distribués en «  couches concentriques (à peu près) sphériques, toutes de même épaisseur »[35]. Les couches étaient à leur tour divisées en un certain nombre de cellules, chacune contenant une paire d'électrons. Avec ce modèle, Langmuir arrivait à expliquer qualitativement les propriétés chimiques de tous les éléments de la table périodique[34], que l'on savait se ressembler assez, selon la loi de similitude[36].

En 1924, le physicien autrichien Wolfgang Pauli remarqua que la structure en couches de l'atome pourrait être expliquée par un ensemble de quatre paramètres, qui définissait tous les états en énergie, aussi longtemps que chaque état n'était occupé que par un seul électron[37]. (Cette interdiction faite à deux électrons d'occuper le même état est devenu connue sous le nom de principe d'exclusion de Pauli.) Le mécanisme physique pour expliquer le quatrième paramètre, qui peut prendre deux valeurs, a été fourni par les physiciens néerlandais Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck, quand ils ont suggéré que l'électron, outre le moment angulaire de son orbite, pourrait avoir un moment angulaire intrinsèque[31],[38]. Cette propriété devint connue sous le nom de spin, et elle expliquait le dédoublement des raies spectrales observé avec un spectrographe à haute résolution, qui était resté mystérieux jusque là ; ce phénomène est connu sous le nom de structure hyperfine des raies[39].

La mécanique quantique

Les électrons, comme toute la matière, ont les propriétés quantiques d'être à la fois onde et corpuscule, si bien qu'ils peuvent avoir des collisions avec d'autres particules, et être diffractés comme la lumière. Cependant cette dualité est montrée plus facilement avec les électrons, en raison de leur faible masse. Puisqu'un électron est un fermion, il satisfait au principe d'exclusion de Pauli[40].

Article connexe : Histoire de la mécanique quantique.

Dans sa dissertation « Recherches sur la théorie des quanta », le physicien français Louis de Broglie émet l'hypothèse que toute matière possède une onde de de Broglie semblable à la lumière[41]. C'est-à-dire que sous des conditions appropriées les électrons et autres particules matérielles montrent les propriétés soit de particules soit d'ondes. Les propriétés corpusculaires d'une particule sont démontrées quand elle apparaît localisée à un endroit dans l'espace le long d'une trajectoire à tout moment[42]. 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 démontré 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[43].

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, la coloration correspond à la probabilité relative de « trouver » l'électron de cette orbitale en ce point.

Le succès de la prédiction de de Broglie conduisit à la publication par Erwin Schrödinger en 1926, de l'équation de Schrödinger qui décrit avec succès la propagation des ondes d'électrons[44]. Plutôt que d'avoir une solution donnant la position d'un électron dans le temps, cette équation d'onde peut être utilisée pour prédire la probabilité de trouver un électron près d'un endroit. Cette approche a été ultérieurement nommée mécanique quantique, et a donné une très bonne approximation des états d'énergie dans l'atome d'hydrogène[45]. Une fois que le spin et les interactions entre les divers électrons ont été pris en compte, la mécanique quantique permet avec succès le calcul des électrons dans des atomes avec un numéro atomique plus élevé que le 1 de l'hydrogène[46].

En 1928, améliorant le travail de Wolfgang Pauli[47], Paul Dirac produit un modèle de l'électron – l'équation de Dirac, compatible avec la théorie de la relativité, en appliquant des considérations de symétrie et de relativité à la formulation hamiltonienne de la mécanique quantique du champ électromagnétique[48]. Pour résoudre certains problèmes avec son équation relativiste, en 1930, Dirac développe un modèle de vide avec une mer infinie de particules d'énergie négative, parfois nommé « mer de Dirac ». Ceci le conduit à prédire l'existence du positron, semblable à l'électron dans l'antimatière[49]. Cette particule avait été découverte par Carl D. Anderson, qui a proposé d'appeler les électrons standard « négatrons » et d'utiliser le terme électron comme générique pour désigner les variantes des deux charges. Cet usage du terme négatron est encore rencontrée à l'occasion aujourd'hui, et peut être abrégée en négaton[50],[51].

En 1947, Willis Lamb, en collaboration avec le thésard Robert Retherford, trouve que certains états quantiques de l'atome d'hydrogène, qui devraient avoir la même énergie, sont décalés, le décalage étant connu sous le nom décalage de Lamb ou sous l'original anglais de Lamb shift. À peu près au même moment, 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. Cette petite différence sera ultérieurement appelée 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[52],[53],[54].

Accélérateurs de particules

Avec le développement des accélérateurs de particules pendant la première moitié du XXe siècle, les physiciens ont commencé à entrer plus à fond dans les propriétés des particules subatomiques[55]. Les premières tentatives pour accélérer des électrons en utilisant l'induction électromagnétique ont été faites avec succès en 1942 par Donald Kerst. Son bétatron initial atteint une énergie de 2,3 MeV, alors que les bétatrons suivants finissent par atteindre 300 MeV. En 1947, le rayonnement synchrotron est découvert, avec un synchrotron à électrons de 70 MeV chez General Electric. Ce rayonnement est provoqué par l'accélération des électrons se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière[56].

Avec une énergie de faisceau de 1,5 GeV, le premier collisionneur de particules à haute énergie est ADONE, qui commence à fonctionner en 1968[57]. Cet appareil accélère des électrons et des positrons en sens inverse, ce qui fait plus que doubler l'énergie dans leur collision, comparée à la collision de l'un des faisceaux avec une cible immobile, en raison de la perte d'énergie provoquée par le recul inévitable de la cible[58]. Le grand collisionneur électron-positon, plus connu sous son acronyme anglais LEP au CERN, qui a fonctionné de 1989 à 2000, a atteint des énergies de collisions de 209 GeV et réalisé des mesures importantes pour le modèle standard de la physique des particules[59],[60]

Caractéristiques

L'électron a une masse approximativement 1/1836 celle du proton[61]. Le moment angulaire intrinsèque (spin) de l'électron est la moitié de la constante de Planck réduite ħ, ce qui implique que c'est un fermion. L'antiparticule de l'électron s'appelle le positron, qui a des propriétés identiques à celles de l'électron, sauf en ce qui concerne la charge électrique et d'autres charges physiques (nombre leptonique, nombre électronique), qui sont directement opposées. Ceci permet l'annihilation d'un électron avec un positron, en ne produisant que de l'énergie sous forme de rayons gamma. Les électrons, qui appartiennent à la première génération de la famille des leptons[40], sont soumis aux forces gravitationnelles, électromagnétiques et faibles. Ils échappent aux interactions fortes[62].

Dans beaucoup de phénomènes physiques, tels l'électricité, le magnétisme et la conductivité thermique, les électrons jouent un rôle essentiel. Un électron en mouvement par rapport à un observateur engendre pour lui un champ magnétique, et sera défléchi par des champs magnétiques externes. Quand un électron est accéléré, il peut absorber ou rayonner de l'énergie sous forme de photons. Les électrons, avec les noyaux atomiques, faits de protons et de neutrons, font des atomes. Cependant, les électrons ne constituent que moins de 0,06% de la masse totale d'un atome. La force coulombienne électrostatique attractive fait que les électrons sont liés dans les atomes. L'échange, ou le partage d'électrons entre atomes voisins est la cause principale de la liaison chimique[63].

Selon la théorie, la plupart des électrons de l'univers ont été créés pendant le Big Bang, mais ils peuvent être aussi produits actuellement par radioactivité β des noyaux radioactifs, et dans des collisions de haute énergie, par exemple quand les rayons cosmiques, pénètrent dans l'atmosphère. Les électrons peuvent être détruits par annihilation avec les positrons, ainsi que pendant la nucléosynthèse dans les étoiles.

Classification

Une table à 4 lignes et 4 colonnes, chaque cellule contenant un identificateur de particule
Modèle standard des particules élémentaires. L'électron est en bas à gauche

Dans le modèle standard de la physique des particules, les électrons appartiennent au groupe des particules subatomiques appelées leptons, que l'on pense être des particules élémentaires ou fondamentales, c'est-à-dire qu'elles ne comportent pas de sous-particule. Les électrons ont la plus faible masse de toutes les particules chargées, et appartiennent à la première famille ou génération[64].

Les seconde et troisième générations contiennent des leptons chargés, le muon et le tauon, identiques à l'électron sous tous rapports, sauf leur masse, bien plus élevée. Les leptons diffèrent des autres constituants de base de la matière, les quarks parce qu'ils ne sont pas sensibles aux interactions fortes. Tous les membres du groupe des leptons sont des fermions, parce qu'ils ont un spin demi-entier ; le spin de l'électron est ½[65].

Propriétés fondamentales

La masse d'un électron est approximativement 9,109×10-31 kg[66], ou 5,489×10-4 unité de masse atomique. Sur la base du principe d'équivalence masse-énergie d'Einstein, ceci correspond à une énergie de 0,511 MeV. Le rapport entre les masses du proton et de l'électron est d'environ 1836[61],[67]. Les mesures astronomiques montrent que ce rapport n'a pas changé de façon mesurable pour la moitié de l'âge de l'Univers, comme prédit par le modèle standard[68].

Les électrons ont une charge électrique de -1,602×10-19 C[66], qui est utilisée comme unité standard de charge pour les particules subatomiques. À la limite de la précision des expériences, la charge de l'électron est directement opposée à celle du proton[69]. Comme le symbole e est utilisé pour la charge élémentaire, le symbole de l'électron est e–, le signe – indiquant la charge de l'électron. Le symbole du positron est e+, puisqu'il a toutes les propriétés de l'électron, au signe de la charge près[66],[65].

L'électron a un moment angulaire intrinsèque, ou spin, de ½[66]. Cette propriété est généralement exprimée en appelant l'électron « particule de spin ½ »[65]. Pour ce genre de particules, la valeur absolue du spin est ħ √3/2[note 1], tandis que le résultat de la mesure de la projection du spin sur n'importe quel axe ne peut être que ±ħ/2. Outre le spin, l'électron possède un moment magnétique le long de son spin[66]. Il est approximativement égal à un magnéton de Bohr[70],[note 2], qui est une constante physique égale à 9,274 009 15(23)×10-24 J/T[66]. L'orientation du spin par rapport au moment de l'électron définit la propriété des particules élémentaires connues sous le nome hélicité[71].

L'électron n'a pas de sous-composant connu[1],[72]. On le définit donc, ou on le suppose, comme une particule ponctuelle, avec une charge ponctuelle, sans dimension d'espace[40].

L'observation d'un électron isolé dans un piège de Penning démontre que le rayon de cette particule est inférieur à 10-22 m[73]. Il y a bien pourtant une constante physique que l'on appelle « rayon classique de l'électron », dont la valeur bien plus grande est de 2,8179×10-15 m. Cependant cette terminologie provient d'un calcul simpliste qui ignore les effets de la mécanique quantique ; en fait le soi-disant rayon classique de l'électron n'a pas grand-chose à voir avec une structure fondamentale de l'électron[74],[note 3]. Néanmoins, ce rayon classique donne un ordre de grandeur des dimensions pour lesquelles l'électrodynamique quantique devient importante pour comprendre la structure et le comportement de l'électron, notamment par la renormalisation.

On pense, sur des bases théoriques, que l'électron est stable : comme c'est la particule la plus légère de charge non-nulle, sa désintégration violerait la conservation de la charge électrique[75]. Expérimentalement, la limite inférieure pour la vie moyenne de l'électron est de 1,45×1034 s, à un niveau de confiance de 90%[76]. L'électron diffère en cela des autres leptons chargés, le muon et le tauon de courtes durées de vie.

Propriétés quantiques

Comme toutes les particules, les électrons peuvent aussi se manifester comme des ondes : particules dans un faisceau énergique, ondes stationnaires dans un atome. Ceci est appelé dualité onde-particule, et peut être démontré en utilisant l'expérience des fentes de Young, familière avec la lumière. La nature ondulatoire de l'électron lui permet de passer à travers deux fentes parallèles simultanément, plutôt que juste une seule fente, comme cela serait le cas pour une particule classique. En mécanique quantique, la propriété ondulatoire d'une particule peut être décrite mathématiquement comme une fonction à valeurs complexes, la fonction d'onde, couramment dénotée par la lettre grecque psi (ψ). Quand la valeur absolue de cette fonction est élevée au carré, cela donne la probabilité d'observer une particule dans un petit volume auprès de la position choisie – une densité de probabilité[77]

Projection tridimensionnelle d'une figure à deux dimensions. Il y a deux collines symétriques par rapport à un axe, et des puits symétriques le long de cet axe, se reliant selon une forme de selle
Exemple d'une fonction d'onde antisymétrique pour un état quantique de deux fermions identiques dans une boîte à une dimension. Si les particules échangent leurs positions, la fonction d'onde change de signe. La fonction d'onde est ici \scriptscriptstyle \psi(x_1,x_2)=
\scriptscriptstyle\sqrt{2}[\sin(\pi x_1)\sin(3\pi x_2)-\sin(\pi x_2)\sin(3\pi x_1)]

Les électrons sont des particules indiscernables, parce qu'ils ne peuvent pas être distingués l'un de l'autre par leur propriétés physiques intrinsèques. En mécanique quantique, ceci signifie qu'une paire d'électrons en présence doivent pouvoir intervertir leurs positions sans provoquer de changement observable dans l'état du système. La fonction d'onde des fermions, notamment des électrons, est antisymétrique, c'est-à-dire qu'elle change de signe quand on échange deux électrons, c'est-à-dire : \scriptstyle \psi(r_1,r_2) = - \psi(r_2,r_1), où \scriptstyle r_1 et \scriptstyle r_2 sont les positions des deux électrons. Comme la valeur absolue ne change pas par changement de signe de la fonction, ceci indique que les probabilités sont les mêmes. Les bosons, comme les photons, ont, eux, des fonctions d'onde symétriques[77].

Dans le cas de l'antisymétrie, les solutions de l'équation d'onde pour des électrons en interaction résulte en une probabilité nulle que deux électrons occupent la même position, ou le même état. C'est la cause du principe d'exclusion de Pauli, qui empêche deux électrons d'occuper le même état quantique. Ce principe explique bien des propriétés des électrons. Par exemple, il fait que des nuages d'électrons liés au même noyau occupent des orbitales toutes différentes, plutôt que de se concentrer tous sur l'orbitale la moins énergétique[77].

Particules virtuelles

Article détaillé : Particule virtuelle.

Les physiciens pensent que le vide peut être rempli de paires de particules « virtuelles », comme des électrons et des positrons, qui se créent et s'annihilent rapidement ensuite[78]. La combinaison de la variation d'énergie nécessitée pour créer ces particules, et du temps pendant lequel elles existent reste en-dessous du seuil de détectabilité exprimé par le principe d'incertitude de Heisenberg  : \scriptstyle \Delta E \times \Delta t\,\geq\,\hbar. Pratiquement, l'énergie demandée pour créer les particules, \scriptstyle \Delta E, peut être « empruntée » au vide pour une durée \scriptstyle \Delta t, dans la mesure où le produit n'est pas plus grand que la constante de Planck réduite ħ ≈ 6,6×10-16 eVs. Donc pour une paire électron-positron virtuelle, \scriptstyle \Delta t est au plus de 6,6×10-22 s[79].

Une sphère avec un signe – en bas à gauche symbolise l'électron, tandiis que des paires de sphères avec des signes opposés représentent les particules virtuelle
Vue schématique de paires électron-positron virtuelles apparaissant au hasard près d'un électron (en bas à gauche)

Tandis qu'une paire virtuelle électron-positron subsiste, la force coulombienne du champ électrique ambiant entourant un électron fait que le positron est attiré par ce dernier, tandis que l'électron de la paire est repoussé. Ceci provoque ce que l'on appelle polarisation du vide. En fait, le vide se comporte comme un milieu ayant une permittivité diélectrique supérieure à l'unité. Donc la charge effective d'un électron est plus faible que sa valeur nominale, et la charge diminue quand la distance à l'électron augmente[80],[81]. Cette polarisation a été confirmée expérimentalement en 1997 en utilisant l'accélérateur de particules japonais TRISTAN[82]. Les particules virtuelles provoquent un effet de masquage comparable pour la masse de l'électron[83].

L'interaction avec des particules virtuelles explique aussi la légère déviation (environ 0,1%) entre le moment magnétique intrinsèque de l'électron et le magnéton de Bohr (le moment magnétique anomal)[70],[84]. La précision extraordinaire de l'accord entre cette différence prévue par la théorie et la valeur déterminée par l'expérience est considérée comme une des grandes réussites de l'électrodynamique quantique[85].

En physique classique, le moment angulaire et le moment magnétique d'un objet dépendent de ses dimensions physiques. Il paraît donc incohérent de concevoir un électron sans dimensions possédant ces propriétés. Le paradoxe apparent peut être expliqué par la formation de photons virtuels dans le champ électrique engendré par l'électron. Ces photons font se déplacer l'électron de façon saccadée (ce qui s'appelle Zitterbewegung en allemand, ou mouvement de tremblement)[86] qui résulte en un mouvement circulaire avec une précession. Ce mouvement produit à la fois le spin et le moment magnétique de l'électron[40],[87]. Dans les atomes, cette création de photons virtuels explique le décalage de Lamb (Lamb shift) observé dans les raies spectrales[80].

Interaction

Un électron engendre un champ électrique qui exerce une force attractive sur une particule positivement chargée, comme un proton, et une force répulsive sur une particule négative. La valeur de cette force est donnée par la Loi de Coulomb en carré inverse[88]. Quand un électron est en mouvement, il engendre aussi un champ magnétique[89]. La loi d'Ampère-Maxwell relie le champ magnétique au mouvement d'ensemble des électrons (le courant électrique) par rapport à un observateur. C'est cette propriété d'induction qui fournit l'induction magnétique qui fait tourner un moteur électrique[90]. Le champ électromagnétique d'une particule chargée animée d'un mouvement arbitraire est exprimé par les potentiels de Liénard–Wiechert, valables même quand la vitesse de la particule s'approche de celle de la lumière(relativiste).

Un graphique avec des arcs montrant le mouvement d'une particule chargée
Une particule de charge q part de la gauche à la vitesse v à travers un champ magnétique B orienté vers le lecteur. Pour un électron, q est négatif, et il suit donc une trajectoire incurvée vers le haut.

Quand un électron se déplace dans un champ magnétique, il est soumis à une force de Lorentz, dirigée perpendiculairement au plan défini par le champ et la vitesse de l'électron. Cette force perpendiculaire à la trajectoire contraint l'électron, dans un champ magnétique uniforme, à suivre une trajectoire hélicoïdale dans le champ, sur un cylindre de rayon appelé le rayon de Larmor. L'accélération due à ce mouvement en courbe conduit l'électron à rayonner de l'énergie sous forme de rayonnement synchrotron[91].,[92],[note 4]. L'émission d'énergie à son tour provoque un recul de l'électron, ce qui est connu sous le nom de force d'Abraham-Lorentz-Dirac, qui crée une friction qui ralentit l'électron. Cette force est provoquée par une réaction du propre champ de l'électron sur lui-même[93].

En électrodynamique quantique, l'interaction électromagnétique entre particules est transmise par des photons. Un électron isolé, qui ne subit pas d'accélération, ne peut pas émettre ni absorber un photon réel : ceci violerait la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Par contre, des photons virtuels peuvent tranférer de la quantité de mouvement entre deux particules chargées. C'est cet échange de photons virtuels qui, en particulier, engendre la force de Coulomb[94]. Une émission d'énergie peut avoir lieu quand un électron en mouvement est défléchi par une particule chargée, comme un proton. L'accélération de l'électron résulte en émission de rayonnement continu de freinage (Bremsstrahlung en allemand)[95].

Une courbe montre le mouvement de l'électron ; un point rouge montre le noyau, et une ligne ondulée le photon émis
Ici, le bremsstrahlung est produit par un électron e défléchi par le champ électrique d'un noyau atomique. Le changement d'énergie E2 — E1 détermine la fréquence f du photon émis.

Une collision élastique entre un photon (lumière) et un électron solitaire (libre) s'appelle diffusion Compton. Cette collision résulte en un transfert d'énergie et de moment entre les particules, qui modifie la longueur d'onde du photon par une quantité appelée décalage Compton[note 5]. La valeur maximale de ce décalage est \scriptstyle h/(m_e\,c), que l'on désigne sous le nom de « longueur d'onde de Compton[96] ». Pour un électron, elle vaut 2,43×10-12 m[66]. Pour une grande longueur d'onde de la lumière (par exemple la longueur d'onde de la lumière visible est de 0,4–0,7 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 linéaire de Thomson[97].

La force relative de l'interaction électromagnétique entre deux particules comme un électron et un proton est donnée par la constante de structure fine. C'est une quantité sans dimension formée par le rapport de deux énergies : l'énergie électrostatique d'attraction (ou de répulsion) à la distance d'une longueur d'onde de Compton, et l'énergie au repos de la charge. Elle est donnée par α ≈ 7,297353×10-3, qui vaut approximativement 1/137[66].

Quand des électrons et des positrons font des collisions, ils peuvent s'annihiler ensemble, donnant deux ou trois photons. Si l'électron et le positron ont un moment négligeable, il peut se former un positronium avant que l'annihilation se produise, donnant 2 ou 3 photons, dont l'énergie totale est 1,022 MeV[98],[99]. Par ailleurs, des photons de haute énergie peuvent se transformer en une paire d'électron et positron par un processus inverse de l'annihilation que l'on appelle production de paire, mais seulement en présence d'une particule chargée proche, comme un noyau, susceptible d'absorber le moment de recul[100],[101]

En théorie des interactions électrofaibles, la composante gauche de la fonction d'onde de l'électron forme un doublet d'isospin faible avec le neutrino-électron. Ceci veut dire que pendant les interactions faibles, les neutrinos-électrons se comportent comme des électrons. Chaque membre de ce doublet peut subir une interaction par courant chargé transformant l'un en l'autre par émission/absorption de boson W±, cette transformation étant à la base de la désintégration β des noyaux. L'électron, comme le neutrino, peut subir une interaction par courant neutre couplé au Z0, ce qui est notamment la cause de la diffusion électron-neutrino[102].

Atomes et molécules

Article détaillé : Atome.
Table de 5 colonnes et 5 lignes, chaque cellule donnant une densité de probabilité codée en couleurs
Les densités de probabilité pour les quelque premières orbitales de l'atome d'hydrogène, dans le plan xOz. 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 de Coulomb attractive. Un système d'électrons liés à un noyau en nombre égal à la charge de ce dernier est appelé un atome. Si le nombre d'électrons est différent, le système s'appelle un 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 de ce dernier sur un axe donné (pris en général pour axe Oz). Il n'existe qu'un ensemble discret de ces nombres quantiques pour le noyau. Suivant le principe d'exclusion de Pauli, chaque orbitale ne peut être occupée au plus que par deux électrons, de spins différents en projection.

Les électrons peuvent changer d'orbitale par émission ou absorption d'un photon dont l'énergie égale la différence d'énergie potentielle entre ces orbitales[103]

D'autres méthodes de transfert d'orbitale comprennent les collisions avec des particules comme les électrons, et l'effet Auger[104]. Pour s'échapper d'un atome, l'énergie de l'électron doit être hissée au-dessus de son énergie de liaison à l'atome. Ceci peut arriver dans l'effet photoélectrique, quand un photon incident a une énergie qui dépasse l'énergie d'ionisation de l'électron qui l'absorbe[105].

Le moment angulaire orbital des électrons est quantifié. Comme l'électron est chargé, il produit un moment magnétique orbital proportionnel à son moment angulaire. Le moment magnétique total d'un atome est égal à la somme des moments magnétiques propres et orbitaux de tous les électrons, et du noyau. Celui du noyau, cependant, est négligeable par rapport à celui des électrons. Les moments magnétiques des électrons qui occupent la même orbitale (électrons en paire) s'annulent[106].

La liaison chimique entre atomes résulte d'interactions électromagnétiques, décrites par les lois de la mécanique quantique[107]. Les liaisons les plus fortes sont les liaisons covalentes ou les liaisons ioniques, qui permettent la formation de molécules[63]. Dans une molécule, les électrons se déplacent sous l'influence de plusieurs noyaux, et occupent des orbitales moléculaires, de la même façon qu'ils occupent des orbitales dans des atomes isolés[108]. Un facteur fondamental dans ces structures moléculaires est l'existence de paires d'électrons : celles-ci sont des électrons de spins opposés, ce qui leur permet d'occuper la même orbitale moléculaire sans violer le principe d'exclusion de Pauli (de la même manière que dans les atomes). Les orbitales moléculaires différentes ont des distributions spatiales de densité d'électrons différentes. Par exemple, dans les paires liantes (c'est-à-dire les paires qui lient vraiment les atomes ensemble), on trouve des électrons avec une densité maximale dans un relativement petit volume entre les atomes. Au contraire, pour les paires non-liantes, les électrons sont distribués dans un grand volume autour des noyaux[109]. C'est l'existence de paires liantes, où des électrons périphériques sont mis en commun par deux atomes voisins, qui caractérise la liaison covalente. La liaison ionique, elle, se caractérise par le fait qu'un atome possède un électron mal lié, parce que toutes les orbitales d'énergie inférieure sont occupées, par exemple un atome de sodium Na ; à côté, on trouve un atome qui possède encore une place libre dans sa dernière orbitale, et donc un électron qui s'y mettrait serait solidement lié, par exemple un atome de chlore Cl. Si l'on met au contact un atome de sodium et un atome de chlore, le sodium va perdre son électron mal lié, qui va se loger dans la place qui l'attend dans le chlore. On a donc alors un ion Na+ (cation) et un ion Cl- (anion), qui restent liés par attraction électrostatique. C'est la liaison ionique typique.

Les réactions d'échange d'électrons sont fondamentales en chimie et sont désignées sous le nom de réactions d'oxydo-réduction. L'espèce chimique qui capte l'électron est l’oxydant, comme l'atome de chlore cité ci-dessus, l'autre est le réducteur, comme celui de sodium.

Conductivité

Quatre éclairs frappent le sol
Un éclair de foudre consiste en premier lieu en un courant d'électrons[110]. Le potentiel électrique nécessaire pour la foudre peut être engendré par un effet triboélectrique[111],[112].

Si un corps a trop d'électrons, ou pas assez, pour équilibrer les charges positives des noyaux, cet objet a une charge électrique statique totale non-nulle. S'il y a trop d'électrons, l'objet est chargé négativement. Dans le cas contraire, il est chargé positivement. Si les charges s'équilibrent, le corps est dit neutre. Un corps macroscopique peut développer une charge électrique par frottement, c'est l'effet triboélectrique[113].

Des électrons se déplaçant indépendamment dans le vide sont appelés électrons « libres ». Les électrons, dans les métaux, se comportent aussi comme s'ils étaient libres. De plus, il peut y avoir dans un solide des trous, qui sont des endroits où manque un électron. Ce trou peut être comblé par des électrons voisins, mais cela ne fera que déplacer le trou. On peut avoir dans des solides une prédominance de la conduction de l'électricité par le déplacement de trous, plutôt que par le déplacement d'électrons. En fait les particules porteuses de charge dans les métaux et autres solides sont des « quasi-particules » : des quasi-particules de charge électrique négative ou positive, semblables aux électrons réels[114]

Quand les électrons libres se déplacent – que ce soit dans le vide ou dans un métal – ils produisent un courant de charges net, que l'on appelle courant électrique, qui engendre un champ magnétique. De même, un courant peut être engendré par un champ magnétique variable. Ces interaction sont décrites mathématiquement par les équations de Maxwell[115].

À température donnée, chaque matériau a une conductivité électrique qui détermine la valeur du courant électrique quand un potentiel électrique est appliqué. Des exemples de bons conducteurs comprennent des métaux comme le cuivre et l'or, tandis que le verre et le Teflon 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 degré de conductivité variable entre les extrêmes du conducteur et de l'isolant[116]. Par ailleurs les métaux ont une structure en bandes électroniques qui contiennent des bandes élecroniques partiellement remplies. La présence de ce type de bandes permet aux électrons dans un métal de se comporter comme s'ils étaient libres ou délocalisés, c'est-à-dire non attachés à une molécule particulière. Quand un champ électrique est appliqué, ils peuvent se déplacer comme les molécules d'un gaz (appelé gaz de Fermi)[117] à travers la matière, un peu comme des électrons libres. Ces phénomènes sont à la base de toute l'électricité : électrocinétique, électronique, radioélectricité.

En raison des collisions entre électrons et atomes, la vitesse de dérive des électrons dans un conducteur est de l'ordre du mm/s. Cependant la vitesse à laquelle un changement de courant en un point de la matière se répercute sur les courants en d'autres points, la célérité, est typiquement 75% de la vitesse de la lumière dans le vide[118]. Ceci se produit parce que les signaux électriques se propagent comme une onde, avec une vitesse qui ne dépend que de la constante diélectrique, ou permittivité[119] du milieu.

Les métaux forment de relativement bons conducteurs de la chaleur, tout premièrement parce que les électrons délocalisés sont libres de transporter l'énergie thermique d'un atome à l'autre. Cependant, contrairement à la conductivité électrique, la conductivité thermique d'un métal est pratiquement indépendante de la température. Ceci s'exprime mathématiquement par la Loi de Wiedemann et Franz[117], qui dit que le rapport de la conductivité thermique à la conductivité électrique est proportionnel à la température. Comme le désordre thermique du réseau du métal accroît la résistivité du milieu, cela conduit à une dépendance du courant électrique selon la température[120].

Quand on les refroidit en-dessous d'une température critique, les matières peuvent subir une transition de phase, par laquelle ils perdent toute résistivité au courant électrique, phénomène appelé supraconductivité. Dans la théorie BCS, ce comportement est expliqué par des paires d'électrons (formant des bosons) qui entrent dans l'état connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein. Ces paires de Cooper voient leur mouvement couplé à la matière environnante par des vibrations du réseau nommées phonons, évitant ainsi les collisions avec les atomes qui normalement créent la résistance électrique[121]. (Les paires de Cooper ont un rayon d'environ 100 nm, si bien qu'elles peuvent se chevaucher.)[122]. Cependant, le mécanisme selon lequel fonctionnent les supraconducteurs à haute température reste à élucider.

Dans les conducteurs solides, les électrons sont eux-mêmes des quasi-particules. Quand ils sont fortement confinés aux températures proches du zéro absolu, ils se comportent comme s'ils se décomposaient en deux autres quasi-particules : chargeon et spinon[123]. La première transporte le spin et le moment magnétique, la seconde la charge électrique.

Mouvement et énergie

Selon la théorie d'Einstein de la relativité restreinte, quand la vitesse d'un électron se rapproche 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 de l'accélérer à partir du repère de l'observateur. Ainsi, la vitesse d'un électron peut s'approcher de la vitesse de la lumière dans le vide c, mais jamais l'atteindre. Si un électron relativiste, c'est-à-dire se déplaçant à une vitesse proche de c, est injecté dans un milieu diélectrique comme l'eau, où la vitesse de la lumière est significativement inférieure à c, il va se déplacer plus vite que la lumière dans le milieu. Le déplacement de sa charge dans le milieu va produire une légère lumière appelée rayonnement Tcherenkov[124].

La courbe part de l'unité et s'incurve fortement vers l'infini à la vitesse de la lumière
Le facteur de Lorentz en fonction de la vitesse. Il part de l'unité et tend vers l'infini quand v tend vers c.

Les effets de la relativité spéciale sont basés sur une quantité appelée facteur de Lorentz, défini comme \scriptstyle\gamma=1/ \sqrt{ 1-{v^2}/{c^2} }, où v est la vitesse de la particule. L'énergie cinétique Ke d'un électron se déplaçant à la vitesse v est :

\scriptstyle K_\mathrm{e} = (\gamma - 1)m_\mathrm{e} c^2,

où me est la masse de l'électron. Par exemple, l'accélérateur linéaire de SLAC peut accélérer un électron jusqu'à environ 51 GeV[125]. Ceci donne une valeur d'environ 100 000 pour γ, puisque la masse de l'électron est 0,51 MeV/c². Le moment relativiste d'un tel électron est 100 000 fois celui que la mécanique classique prédirait à un électron de cette vitesse[note 6].

Comme un électron se comporte comme une onde, à une vitesse donnée, il a une longueur d'onde de de Broglie caractéristique. Elle est donnée par λe = h/p, où h est la constante de Planck et p le moment[41]. Pour l'électron de 51 GeV du SLAC, la longueur d'onde est environ 3,4×10-17 m, assez petite pour explorer des structures bien plus petites que la taille d'un noyau atomique[126].

Il s'est avéré dans les expériences de diffusion profondément inélastique (deep inelastic scattering), que les composants du noyau avaient en effet une sous-structure (« quarks » et « gluons »), mais qu'à l'échelle de la longueur d'onde de de Broglie des électrons ainsi accélérés, il n'était plus possible de mettre en évidence de sous-structure ni des électrons, ni des quarks.

Formation des électrons de l'univers

Un photon frappe un noyau de la gauche, avec la paire électron-positron s'échappant à droite
Production d'une paire par collision d'un photon avec un noyau d'atome.

Formation au Big Bang

La théorie du Big Bang est la théorie scientifique la plus largement acceptée pour expliquer les premiers stades de l'évolution de l'Univers[127]. Pendant la première milliseconde du Big Bang, les températures dépassaient 107 K, et les photons avaient des énergies moyennes supérieures à 1 MeV. Ils avaient donc des énergies suffisantes pour réagir ensemble et former des paires d'électron-positron :

\scriptstyle \gamma \,+\, \gamma ~\leftrightharpoons ~\mathrm e^{+} \,+\, \mathrm e^{-},

où γ est le photon, e+ le positron et e- l'électron. Inversement, des paires électron-positron s'annihilent pour émettre des photons énergiques. Il y a donc pendant cette période un équilibre entre électrons, positrons et photons. Au bout de 15 secondes, la température de l'univers est tombée au-dessous de la valeur où la création de paire positron-électron peut avoir lieu. La plupart des électrons et des positrons survivants s'annihilent, relâchant des photons qui réchauffent l'univers pour un temps[128].

Pour des raisons encore inconnues, pendant le processus de leptogénèse, il y a en fin de compte plus d'électrons que de positrons[129]. Il en résulte qu'un électron sur environ un milliard a survécu au processus d'annihilation. Cet excès a compensé l'excès des protons sur les antiprotons, dans le processus appelé asymétrie baryonique, ce qui résulte en une charge nette nulle pour l'univers[130],[131]. Les protons et neutrons qui ont survécu ont commencé à réagir ensemble, dans un processus appelé nucléosynthèse primordiale, formant des isotopes de l'hydrogène et de l'hélium, ainsi qu'un tout petit peu de lithium. Ce processus a culminé au bout de 5 minutes[132]. Tous les neutrons résiduels ont subi une désintégration β, avec une vie moyenne de mille secondes, relâchant un proton, un électron et un antineutrino, par le processus :

\scriptstyle\mathrm n~ \Rightarrow ~\mathrm p \,+\, \mathrm e^{-} \,+ \,\bar{\mathrm \nu}_\mathrm e,

où n est un neutron, p un proton et \scriptstyle\bar{\mathrm \nu}_\mathrm e un antineutrino-électron. Pour la période allant jusqu'à 300 000–400 000 ans, les électrons restants restent trop énergiques pour se lier aux noyaux atomiques[133]. Ce qui suit est une période que l'on appelle la recombinaison, où les atomes neutres sont formés, et l'univers en expansion devient transparent au rayonnement[134].

Formation dans les étoiles

Environ un million d'années après le big bang, la première génération d'étoiles commence à se former[134]. Dans une étoile, la nucléosynthèse stellaire aboutit à la production de positrons par fusion de noyaux atomiques et désintégration β+ des noyaux ainsi produits, qui transforme l'excès de protons en neutrons. Les positrons ainsi produits s'annihilent immédiatement avec les électrons, en produisant des rayons gamma. Le résultat net est une réduction constante du nombre d'électrons, et la conservation de la charge par un nombre égal de transformations de protons en neutrons. Cependant, le processus d'évolution des étoiles peut aboutir à la synthèse de noyaux lourds instables, qui à leur tour peuvent subir des désintégrations β-, ce qui recrée de nouveaux électrons[135]. Un exemple en est le nucléide cobalt 60 (60Co), qui se désintègre en nickel 60 (60Ni)[136].

Au bout de sa vie, une étoile plus lourde que 20 masses solaires peut subir un effondrement gravitationnel pour former un trou noir[137]. Selon la physique classique, ces objets stellaires massifs exercent une attraction gravitationnelle assez forte pour empêcher tout, même le rayonnement électromagnétique, de s'échapper du rayon de Schwarzschild. Cependant on pense que les effets quantiques peuvent permettre au trou noir d'émettre du rayonnement de Hawking à cette distance. On pense ainsi que des électrons (et des positrons) sont créés à l'horizon (trou noir) de ces restes d'étoiles.

Quand des paires de particules virtuelles – comme un électron et un positron – sont créées au voisinage de l'horizon, leur distribution spatiale aléatoire peut permettre à l'une d'entre elles d'apparaître à l'extérieur : ce processus est nommé effet tunnel quantique. Le potentiel gravitationnel du trou noir peut alors fournir l'énergie qui transforme cette particule virtuelle en une particule réelle, ce qui lui permet de rayonner dans l'espace[138]. En échange, l'autre membre de la paire reçoit une énergie négative, ce qui résulte en une perte nette de masse-énergie du trou noir. Le rythme du rayonnement Hawking croît quand la masse décroît, ce qui finit par provoquer l'évaporation du trou noir et son explosion finale[139].

Formation dans les rayons cosmiques

Un arbre logique représentant la production de particules
Une grande gerbe dans l'air engendrée par un rayon cosmique énergique fappant l'atomsphère terrestre.

Les rayons cosmiques sont des particules se déplaçant dans l'espace avec de très grandes énergies. Des événements avec des énergies jusqu'à 3×1020 eV ont été observés[140]. Quand ces particules rencontrent des nucléons dans l'atmosphère terrestre, elles engendrent une gerbe de particules, comprenant des pions[141]. Plus de la moitié du rayonnement cosmique observé au niveau du sol consiste en muons. Le muon est un lepton produit dans la haute atmosphère par la désintégration d'un pion[142]. À son tour, le muon va se désintégrer pour former un électron ou un positron. Donc, pour le pion négatif π-,

\scriptstyle \mathrm \pi^{-} ~\rightarrow ~ \mathrm \mu^{-}\, + \,\bar{\mathrm \nu_{\mathrm \mu}},
\scriptstyle \mathrm \mu^{-} ~ \rightarrow ~ \mathrm e^{-}\, + \,\bar{\mathrm \nu}_\mathrm e \,+\,\mathrm \nu_{\mathrm \mu},

où \scriptstyle \mathrm \mu est un muon et \scriptstyle \mathrm \nu_{\mathrm \mu} un neutrino-mu.

Observation

Les appareils de laboratoire usuels sont destinés à mesurer des différences de potentiel, des intensités de courant, des fréquences, avec de nombreuses spécialisations. Mais il est moins connu qu'ils sont aussi capables de contenir et d'observer des électrons individuels, ainsi que des plasmas d'électrons, tandis que des télescopes dédiés peuvent détecter les plasmas d'électrons dans le cosmos. Les électrons ont beaucoup d'applications, allant du soudage aux accélérateurs de particules en passant par les tubes cathodiques, les microscopes électroniques, la radiothérapie ou les lasers à électrons libres.

Une lueur ondoyante dans le ciel nocturne au-dessus du sol couvert de neige
Les aurores polaires sont principalement provoquées par des électrons énergiques pénétrant dans l'atmosphère[143].

L'observation à distance des électrons exige la détection de l'énergie qu'ils rayonnent. Par exemple, dans des environnements riches en énergie comme la couronne des étoiles, les électrons libres forment un plasma qui rayonne de l'énergie par bremsstrahlung. Le gaz d'électrons peut subir une onde de plasma, qui consiste en ondes provoquées par des variations synchronisées de la densité d'électrons, ce qui provoque des émissions d'énergie détectables avec des radiotélescopes[144].

La fréquence d'un photon est proportionnelle à son énergie. Quand un électron passe d'un niveau d'énergie d'un atome à un autre, il absorbe ou émet un photon à une fréquence caractéristique. En fait, quand les atomes sont irradiés par une source à spectre large, des raies d'absorption apparaissent dans le spectre du rayonnement transmis. Chaque élément ou molécule montre un ensemble caractéristique de raies spectrales, comme le spectre d'absorption de l'hydrogène. Les mesures spectroscopiques de l'intensité et de la largeur de ces raies permet de déterminer la composition et les propriétés physiques d'une substance[145],[146].

Dans les conditions de laboratoire, les interactions d'un seul électron peuvent être observées au moyen de détecteurs de particules, ce qui permet la mesure des propriétés spécifiques telles que l'énergie, le spin ou la charge[105]. La mise au point des pièges de Paul et de Penning permet de contenir des particules chargées dans un petit volume pour de grandes durées. Ceci permet des mesures précises des propriétés des particules. Dans une occasion, on a utilisé un piège de Penning pour contenir un électron unique pendant 10 mois[147]. Le moment magnétique de l'électron a été mesuré avec une précision de 11 chiffres significatifs, ce qui, en 1980, était une précision supérieure à la mesure de toute autre constante physique[148].

Les premières images vidéo de la distribution en énergie d'un électron ont été capturées par un groupe de l'université de Lund en Suède, en février 2008. Les scientifiques ont utilisé des flashs très brefs de lumière (impulsions de 1 attoseconde, soit 10-18 s), qui ont permis pour la première fois d'observer le mouvement de l'électron[149],[150].

La distribution des électrons dans les solides peut être visualisée par Spectrométrie photoélectronique UV analysée en angle (aussi connue sous le sigle anglais ARPES, pour angle resolved photoemission spectroscopy). Cette technique utilise l'effet photoélectrique pour mesurer le réseau réciproque – représentation mathématique des structures périodiques utilisée pour déduire la structure originelle. L'ARPES peut être utilisée pour déterminer la direction, la vitesse et les diffusions des électrons au sein du solide[151].

Applications du plasma

Faisceaux de particules

Un faisceau violet venant du haut produit une lueur bleue autour d'un modèle de la navette spatiale
Pendant un test en soufflerie de la NASA, un modèle de la navette spatiale est visée par un faisceau d'électrons, simulant l'effet de gaz ionisants pendant la rentrée atmosphérique[152].

Les faisceaux d'électrons sont utilisés pour le soudage[153], qui permet des densités d'énergie jusqu'à 107 W/cm² sur une tache étroite de 0,1 à 1,3 mm, et ce d'habitude sans métal d'apport. Cette technique de soudage doit être utilisée dans le vide pour éviter la diffusion du faisceau par le gaz avant son arrivée sur la cible. Elle peut aussi être utilisée pour souder des métaux très bons conducteurs de la chaleur, que l'on ne saurait pas souder autrement[154],[155].

La lithographie à faisceau d'électrons est une méthode de gravure pour les semiconducteurs à une finesse meilleure que le micron[156]. Cette technique est limitée par son coût élevé, sa lenteur, la nécessité de travailler sous vide et la tendance des électrons à diffuser dans le solide. Le dernier problème limite la finesse à environ 10 nm. Pour cette raison la lithographie par faisceau d'électrons est utilisée principalement pour la production d'un petit nombre de circuits intégrés spécialisés[157].

Le traitement par faisceau d'électrons est utilisé pour l'irradiation des matériaux pour changer leurs propriétés physiques ou stériliser des produits à usage médical ou alimentaire[158]. En radiothérapie, on fait des faisceaux d'électrons avec des accélérateurs linéaires pour le traitement des tumeurs superficielles. Comme un faisceau d'électrons ne pénètre qu'à une profondeur limitée avant d'être absorbé, typiquement 5 cm pour des électrons dans la gamme de 5 à 20 MeV, la thérapie par faisceaux d'électrons est utile pour traiter des lésions de la peau comme le carcinome basocellulaire. Un faisceau d'électrons peut être utilisé pour compléter le traitement de zones qui ont été irradiées aux rayons X[159],[160].

Article détaillé : Rayonnement synchrotron.

Les accélérateurs de particules utilisent des champs électriques pour propulser les électrons et les positrons à haute énergie. Quand ces particules passent à travers des champs magnétiques, elles émettent un rayonnement synchrotron, qui peut être utilisé à des fins diverses.

L'intensité de ce rayonnement dépend du spin, ce qui provoque une polarisation du faisceau d'électrons – un processus nommé effet Sokolov-Ternov (en)[note 7]. Les faisceaux d'électrons polarisés peuvent être utiles pour diverses expériences, notamment celles qui ont trait aux propriétés liées au spin.

Le rayonnement synchrotron peut aussi être utilisé pour ce que l'on appelle le « refroidissement » des faisceaux d'électrons, c'est-à-dire pour diminuer les écarts moyens entre leurs énergies. (Cette expression est utilisée par analogie avec la définition de la température thermodynamique, par l'étalement moyen des énergies des constituants du système).

Microscopie

La diffraction d'électrons de basse énergie est une méthode de bombardement d'un cristal avec un faisceau collimaté d'électrons, avec observation des structures de diffraction afin de déterminer la structure du cristal. L'énergie nécessaire pour les électrons est typiquement de l'ordre de 20 à 200 eV[161]. La technique RHEED utilise la réflexion d'un faisceau d'électrons, à angles faibles avec la surface, pour caractériser la surface de matériaux cristallins. L'énergie de faisceau est typiquement dans la gamme de 8 à 20 keV, et l'angle d'incidence entre 1 et 4°[162],[163].

En lumière bleue, les microscopes optiques ont une résolution limitée par la diffraction d'environ 200 nm[164]. 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 0,0037 nm pour des électrons accélérés par un potentiel de 100 000 V[165].

Le microscope électronique dirige un faisceau d'électrons focalisé sur un spécimen. Pendant les interactions des électrons avec le spécimen, certains électrons changent de propriétés, comme leur direction de vol, leur angle, leur phase relative ou leur énergie. En enregistrant ces changements du faisceau, les microscopistes peuvent produire des images du spécimen à la résolution atomique[166].

Articles détaillés : Microscopie électronique en transmission et Microscopie électronique à balayage.

Il y a deux types principaux de microscopes électroniques : en transmission et à balayage.

Le microscope électronique en transmission fonctionne avec un faisceau d'électrons passant à travers une couche de matière, puis projeté agrandi sur un récepteur. L'aspect ondulatoire des électrons est largement utilisé au XXIe siècle dans certains modes d'utilisation. Corrigé d'aberrations, il est capable d'une résolution inférieure à 0,05 nm, ce qui suffit largement à résoudre des atomes individuels[167].

Dans les microscopes à balayage, l'image est produite en balayant le spécimen avec un faisceau d'électrons focalisé finement, comme dans une télévision.

Les grandissements vont de 100 fois à 1 000 000 de fois ou plus, pour les deux types de microscopes. Cette capacité fait du microscope électronique un instrument de laboratoire utile pour l'imagerie à haute résolution. Cependant les microscopes électroniques sont des instruments chers, tant à l'achat qu'à l'entretien.

Article détaillé : Microsonde de Castaing.

La microsonde de Castaing est une forme de microscope électronique à balayage, où l'on s'intéresse aux rayons X émis par l'échantillon sous l'impact du faisceau d'électrons. Une analyse spectrométrique de ce rayonnement permet de tracer une carte microscopique des concentrations d'éléments présents dans l'échantillon.

Article détaillé : Microscope à effet tunnel.

Le microscope à effet tunnel utilise l'effet tunnel des électrons entre une pointe de métal aiguë et le spécimen, et peut produire des images de sa surface avec la résolution d'un atome[168],[169],[170].

Autres applications

Article détaillé : Laser à électrons libres.

Le laser à électrons libres émet un rayonnement électromagnétique cohérent de haute brillance dans un grand domaine de fréquences, des micro-ondes aux rayons X mous[171].

Article détaillé : Tube cathodique.

Les électrons sont au cœur des tubes à rayons cathodiques, que l'on a très largement utilisés comme systèmes de visualisation dans les instruments de laboratoire, les écrans d'ordinateur et les postes de télévision[172].

Article détaillé : Photomultiplicateur.

Dans un tube photomultiplicateur, chaque photon absorbé par la photocathode déclenche une avalanche d'électrons qui produit une impulsion de courant détectable[173].

Article détaillé : Tube électronique.

Les tubes électroniques utilisaient le courant d'électrons pour manipuler des signaux électriques, et ils ont joué un rôle critique dans le développement de la technologie de l'électronique. Ils ont maintenant été largement supplantés par les dispositifs à semi-conducteurs, tels que les transistors[174].

Article détaillé : Capteur photographique.

Les capteurs photographiques utilisent l’effet photoélectrique : les photons incidents produisent des électrons libres au sein d’une matrice de détecteurs qui sont par la suite comptés lors de la lecture du capteur. Les applications en imagerie sont diverses (astronomie, observation militaire, photographie, cinématographie) dans des gammes de longueur d’onde allant de l’ultraviolet à l’infrarouge. Leur rendement et leur versatilité font qu’ils ont supplanté la plupart des usages de la pellicule photographique.

Notes et références

Notes

  1. ↑ Cette valeur \scriptstyle S s'obtient à partir de la valeur du spin \scriptstyle s par :
    \scriptstyle\begin{array}{rcl}\scriptstyle S&\scriptstyle=&\scriptstyle\sqrt{s(s+1)}\,\hbar\\&\scriptstyle=&\scriptstyle\sqrt{3}\,\hbar\,/2 \end{array}.
    Voir (en) M. C. Gupta, Atomic and Molecular Spectroscopy, New Age Publishers, 2001 (ISBN 81-224-1300-5), p. 81 
  2. ↑ Le magnéton de Bohr est :
    \scriptstyle \mu_B=(e\hbar)/(2m_e)
  3. ↑ Le rayon classique de l'électron intervient de la façon suivante : supposons que la charge de l'électron soit distribuée uniformément dans un volume sphérique. Puisque les parties du volume se repoussent, la sphère contient une énergie potentielle électrostatique. Si l'on suppose que cette énergie est égale à l'énergie au repos définie par la relativité (E = m c²), où c est la vitesse de la lumière dans le vide.
    En électrostatique, l'énergie potentielle d'une sphère de rayon r et de charge e est donnée par : E = e²/(8πε0 r), où ε0 est la permittivité du vide. En égalant ces deux valeurs, on obtient la valeur de r citée. Voir (en) Hermann Haken, Hans Christoph Wolf et W. D. Brewer, The Physics of Atoms and Quanta: Introduction to Experiments and Theory, Springer, 2005 (ISBN 3-540-20807-0), p. 70 
  4. ↑ Le rayonnement émis par des électrons non-relativistes est parfois nommé rayonnement cyclotron.
  5. ↑ Le changement de longueur d'onde \scriptstyle \Delta \lambda dépend de l'angle de recul \scriptstyle \theta de la façon suivante :
    \scriptstyle \Delta \lambda = h (1 - \cos \theta)/(m_ec)
    où c est la vitesse de la lumière dans le vide et \scriptstyle m_e la masse de l'électron. Voir (Zombeck 2007, p. 393,396).
  6. ↑ La vitesse de l'électron étant voisine de c, la mécanique classique donnerait un moment mc, alors que la mécanique relativiste donne mvγ ≈ mcγ, d'où un facteur de 100 000.
  7. ↑ La polarisation d'un faisceau est le fait que les spins de tous les électrons sont dirigés parallèlement. Dans le cas qui nous concerne ici, les composantes des spins dans la direction du champ magnétique auront majoritairement le même signe.

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