De quoi est composé un électron?

De quoi est compose un electron

Un électron est une particule subatomique stable et chargée négativement qui sert également de support à l’électricité. Chaque électron porte une unité de charge négative (1,602 x 10-19 coulomb) et a une masse d’environ 1/1836e d’un proton. On trouve des électrons à la fois non fixés de façon permanente aux atomes et à l’intérieur du noyau.

Selon la mécanique quantique, les électrons ne peuvent être distingués sur la base d’aucune propriété intrinsèque. Tous les électrons ont donc la même masse, la même charge électrique et le même spin, de sorte qu’ils peuvent librement interchanger leur position dans un système sans provoquer de changement notable.

Qui a découvert les électrons ?

La possibilité des électrons a été prédite par Richard Laming (1838-1851) et d’autres scientifiques. Le physicien irlandais G. Johnstone Stoney (1874) a inventé le terme « électron » en 1891, pour désigner l’unité de charge dans ses expériences. En 1897, le physicien anglais Joseph John Thomson a découvert les électrons en menant des expériences avec des tubes cathodiques. Il a appelé les électrons « corpuscules ».

Thomson dirigeait les rayons cathodiques entre deux plaques d’aluminium parallèles vers l’extrémité d’un tube, où ils pouvaient être observés sous forme de luminescence sur le verre. Lorsque la plaque d’aluminium supérieure était négative, les rayons se déplaçaient vers le bas ; lorsque la plaque supérieure était positive, les rayons se déplaçaient vers le haut. Cette déviation était proportionnelle à la différence de potentiel entre les plaques, démontrant que les rayons cathodiques étaient des particules chargées négativement.

À partir de là, Thomson a formulé les hypothèses suivantes :

  1. Les rayons cathodiques sont constitués de particules chargées négativement aussi appelées corpuscules.
  2. Les corpuscules sont des particules élémentaires.
  3. En dehors des corpuscules, un atome n’a pas de particules constitutives.

Nous savons aujourd’hui que la troisième hypothèse n’est pas exacte, mais cette découverte de l’électron a révolutionné la physique et a ouvert la voie à des développements concernant l’électricité, la gravitation, l’électromagnétisme, la conductivité thermique et de nombreux autres domaines. Pour ses travaux, Thomson a reçu le prix Nobel de physique en 1906.

Avant Thomson, des scientifiques tels que Richard Fleming avaient déjà prédit l’existence possible des électrons. Les Grecs anciens auraient découvert que lorsque l’ambre est frotté avec de la fourrure, il attire les petits objets. Le mot grec pour ambre, « elektron », était utilisé pour désigner la force qui provoquait cette attraction.

Symbole, charge et autres particules subatomiques de l’électron

Les protons et les électrons ont des charges égales, mais opposées. Les électrons sont attirés par les particules chargées positivement, comme les protons. Le fait qu’une substance ait ou non une charge électrique nette est déterminé par l’équilibre entre le nombre d’électrons et la charge positive des noyaux atomiques. S’il y a plus d’électrons que de charges positives, on dit qu’une matière est chargée négativement. S’il y a un excès de protons, l’objet est considéré comme étant chargé positivement. Si le nombre d’électrons et de protons est équilibré, on dit qu’un matériau est électriquement neutre.

Le rayon d’un électron est d’environ 2 x 10-10 cm. Les neutrons et les protons, connus ensemble sous le nom de nucléons, forment 99,9 % de la masse atomique totale d’un atome. Comparés à ces particules, les électrons ont une valeur de masse négligeable, c’est pourquoi la masse des électrons n’est pas prise en compte lors du calcul du nombre de masse d’un atome.

Le symbole de l’électron est « e- » et celui du proton « p+ », mais il est intéressant de noter que les protons ne sont pas les véritables antiparticules des électrons. L’antiparticule de l’électron est le positron, qui a une charge électrique de +1 e, un spin de 1/2 (identique à celui de l’électron), et a la même masse qu’un électron.

Les positons ne se trouvent pas dans la nature mais se forment lors de la désintégration de nucléides ayant un excès de protons dans leur noyau. Lors de leur désintégration, ces radionucléides émettent un positron et un neutrino.

Nombre de protons, d’électrons et de neutrons dans un atome

Pour tout élément, le numéro de masse atomique est le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau. Il est mesuré en unités de masse atomique (amu).

Nombre de masse atomique = (nombre de protons) + (nombre de neutrons)

Alors que le numéro atomique est le nombre de protons uniquement. Par exemple, le numéro atomique du carbone est de six. Par conséquent, le carbone possède six protons dans son noyau et six électrons dans les orbites énergétiques entourant le noyau.

Les électrons sont décrits comme entourant le noyau d’un atome dans des coquilles. Il ne s’agit pas de structures réelles mais de régions de probabilité.

Numéro atomique = nombre de protons

Cependant, dans le cas des atomes chargés, également appelés ions, le nombre de protons et d’électrons diffère et dépend de la charge de l’atome. Le nombre de neutrons d’un atome peut être facilement calculé en soustrayant le nombre de protons du numéro de masse atomique total.

Nombre de neutrons = Nombre de masse atomique – Nombre de protons

La nature de la charge électrique de toute substance est définie par le nombre de protons et d’électrons dans ses noyaux. Si le nombre de protons dépasse le nombre d’électrons, la substance est chargée positivement. Lorsqu’il y a plus d’électrons que de protons, on dit que la substance a une charge globale négative. Une substance est dite équilibrée ou électriquement neutre lorsque le nombre de protons et d’électrons est égal.

Faits intéressants sur les électrons

  • Les électrons sont des particules élémentaires, ce qui signifie qu’ils ne peuvent pas être divisés davantage. Cependant, s’il a été démontré qu’une masse d’électrons confinée artificiellement dans un petit espace à des températures proches du zéro absolu, se divisera en quasi-particules appelées spinons et holons. Une troisième quasi-particule, l’orbiton, a également été découverte. L’orbiton est une excitation collective d’électrons dans un solide 1D qui se comporte exactement comme un électron – avec un moment angulaire orbital mais sans spin ni charge électrique.
  • Le monde de la physique quantique a été témoin d’une expérience historique en 2018, Les scientifiques de l’Imperial College de Londres ont réussi à arrêter un électron sur sa trajectoire à l’aide d’un laser Gemini, équipement dont la luminosité est un million de fois supérieure à celle de la surface du soleil.
  • La liaison entre des atomes individuels se produit lorsque les électrons d’un atome interagissent avec les électrons présents dans la coquille extérieure d’un autre atome et forment des liens soit en partageant soit en donnant des électrons.
  • L’électricité est le résultat de l’échange d’électrons dans un flux de particules chargées par l’intermédiaire d’un milieu conducteur tel que le métal. Ce flux est également connu sous le nom de courant électrique.
  • Le microscope électronique utilise un faisceau d’électrons pour visualiser des objets. Le spécimen est spécialement préparé et placé dans une chambre à vide. Au lieu de lentilles, on utilise une série d’électro-aimants en forme de bobines. Les bobines courbent les faisceaux d’électrons pour produire un grossissement compris entre 1 et 50 millions de fois.
  • En 2019, les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory ont créé un détecteur d’électrons ultrarapide pour détecter les défauts survenant au niveau atomique. Ce dispositif est équipé d’une caméra 4D et peut traiter 4 To de données par minute.

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