Sir Joseph John Thomson (18 décembre 1856 - 30 août 1940), le découvreur de l'électron. © Cavendish Laboratory, université de Cambridge

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Électron

DéfinitionClassé sous :Matière , électron , lepton
 

L'électron est une particule de matière douée d'une masse (9,1 10-31 kg, soit 0,511 MeV/c2, avec c la vitesse de la lumière exprimée en m/s) et chargée électriquement négativement (on la note e avec pour valeur -1,6 10-19 C) qui est l'un des composants des atomes avec les noyaux constitués de protons et de neutrons. À ce titre il est responsable des propriétés physiques et chimiques des gaz, liquides et solides (conductivité électrique, magnétisme, émission et absorption de la lumière, liaisons chimiques) et même d'un quatrième état de la matière, le plasma. Jusqu'à preuve du contraire, c'est une particule élémentaire au même titre que les quarks qui composent les neutrons et les protons.

Ses propriétés sont décrites par les lois de la mécanique quantique et dans le cadre d'une théorie quantique des champs, le modèle électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg, pilier du modèle standard de la physique des hautes énergies. La physique quantique lui donne donc aussi certaines propriétés ondulatoires comme le physicien français Louis de Broglie a été le premier à le comprendre en introduisant sa théorie des ondes de matière en 1923, ce qu'illustre l'expérience d'interférence popularisée par Richard Feynman.

La découverte de l'électron

Auparavant, les aspects corpusculaires de l'électron avaient été démontrés par plusieurs chercheurs dont en particulier le physicien britannique Joseph John Thomson qui fut en fait le découvreur de l'électron avec ses expériences menées de 1896 à 1897.

L'existence de charges électriques corpusculaire avait été soupçonnée depuis un certain temps et les physiciens George Stoney et George Fitzgerald avaient même proposé un nom pour ces corpuscules qui se manifestaient dans des phénomènes électrostatiques, en particulier lorsque l'on frotte de l'ambre. Comme ce matériau se nomme « ἤλεκτρον / êlectron » en grec, ils ont tout naturellement été conduits à « électron ». L'histoire de sa découverte est très riche comme le montre la vidéo ci-dessous.

L’histoire de la découverte de l’électron. © Synchrotron SOLEIL

L’électron quantique, une clé de la technologie moderne

Techniquement, l'électron est un fermion possédant un moment cinétique intrinsèque, un spin de valeur ½ en unité définie par la fameuse constante de Planck. On le trouve sur des couches électroniques dans le modèle de l'atome proposé par Niels Bohr en 1913. L'existence de ces couches repose en fait sur l'existence d'une dualité onde-corpuscule dont la description se fait à partir des ondes de matière gouvernées par l'équation de Schrödinger. Il faut en fait tenir compte de la théorie de la relativité pour décrire ces ondes de matières et, comme l'a montré le physicien Paul Dirac avec son équation relativiste généralisant celle de Schrödinger pour un électron, cela implique tout à la fois l'existence du spin de l'électron et le fait qu'il doit exister une particule de même masse que l'électron mais avec une charge électrique positive : un antiélectron, une particule d'antimatière nommée positron.

Électrons et positrons sont supposés stables, ils interviennent dans certaines désintégrations d'autres particules qui font partie comme eux d'une famille que l'on appelle des leptons, des sortes de cousins plus lourds. La masse de l'électron serait donnée par l'existence du fameux boson de Brout-Englert-Higgs via des couplages de Yukawa tout comme dans le cas des quarks. L'électron est censé être ponctuel mais s'il possède une forme à une certaine échelle, cela pourrait s'expliquer par l'existence d'une nouvelle physique.

L'électron est bien sûr au cœur de toutes les technologies basées sur des courants électriques et des forces électromagnétiques, des aimants supraconducteurs aux ondes radio en passant par la microscopie électronique et l'effet laser.

Plusieurs vidéos sur la page YouTube du synchrotron Soleil, où l'on accélère des faisceaux d'électrons pour produire des rayons X de haute qualité, pourront être consultées au sujet de tout ce qui a été dit précédemment :

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