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Définition de l'électron

Qu'est-ce que l'électron ?

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 01 juin 2013

Extrait de "l'univers des particules" de Michel Crozon. L'électron est plutôt une sorte de point électrique pesant, dont nul ne sait très bien ni où il est, ni où il va. Il tourne sur lui-même comme une toupie sans pouvoir s'arrêter et il présente une certaine forme de connivence très discrète (interaction faible) avec la plupart des autres particules. Il appartient à la famille des leptons où il occupe la place d'honneur. Dans le monde quantique, cela veut dire que lorsqu'une force agit sur lui, elle rencontre, un objet sans étendue, et non une boule qui aurait un certain volume. Si vous voulez savoir où il se trouve, même avec les calculs les plus précis, vous ne pourrez obtenir que des indications assez vagues, du genre "cet électron est quelque part par là, dans une zone de quelques 10-10 mètres et il se dirige à peu près vers le haut, à quelques dizaines de milliers de kilomètres par seconde".
Si vous voulez être plus précis sur sa position, vous serez amené à être encore plus flou, à propos de sa direction et de sa vitesse, et vice versa.
C’est l'un des paradoxes de la mécanique quantique : vous ne sortirez pas de ce dilemme même avec les meilleurs instruments, les  équations les plus exactes et les plus  gros ordinateurs du monde,  parce qu'en réalité l'électron n'a pas de localisation précise.
Il reste dans une espèce de vague, à la fois un peu ici et un peu là, au point que lorsque, par exemple, il traverse un bristol percé de deux trous rapprochés, nul ne peut dire par quel trou il est passé, ni même s'il est vraiment passé par un seul trou.
Pourtant, si au cours de ses errances il lui arrive de bousculer un autre électron, cela se passe dans un endroit bien précis. Par exemple sur un grain photographique qui sera alors impressionné, il y laisse une petite tache noire, toute petite et dont on peut mesurer avec précision la position. 

 

Mais après cette mesure, il voguera à nouveau sur sa vague incertaine, dans une direction que nul ne peut prévoir. C’est là, la façon d'être, de toutes particules connues, électron, proton, neutron...
Cette sorte de flou a longtemps laissé les chercheurs perplexes. De grands personnages de la science, Albert Einstein, Louis de Broglie et d'autres, se sont longtemps évertués à trouver le moyen de les assimiler aux "points matériels". Ces points qu'ils décrivaient dans leurs équations habituelles et qui ressemblaient plus ou moins à de minuscules boulets de canon.
Les particules sont simplement par là, dans une zone à peu près définie à l'intérieur d'un territoire délimité par les forces qui agissent sur elles, forces qui les piègent et les entrainent à leur gré.
Un physicien, Werner Heisenberg a découvert les relations d'incertitudes. Ce sont de petites inégalités mathématiques selon lesquelles se combinent les imprécisions de leurs positions et de leurs vitesses, et qui traduisent, sous forme mathématique, cette impression de flou. Celles-ci introduisent de l'imprévu au cœur même de la matière. Cette imprécision offre même à l'électron l'occasion de réaliser des sortes d'exploits, comme de franchir des obstacles en apparence infranchissables, grâce au fait qu'il lui arrive d'être à la fois, des deux côtés de la barrière !
Cette incertitude fondamentale s'exprime dans le fait qu'une particule, dans les équations, n'est pas associée à un point matériel, aux coordonnées bien précises, comme c'était le cas en mécanique classique. Cela reste inconcevable pour notre cerveau car cela se passe dans un espace de 10-10 mètre, rempli de vide. L'électron reste cependant accroché  au noyau à l’intérieur de l’atome, et permet aux atomes de former des molécules.

 matière quarks

Image : Les dimensions des particules. C'est la force électromagnétique qui lie les électrons au noyau à l’intérieur de l’atome. Elle permet aux atomes de former des molécules. Elle est à l’origine des propriétés des solides, des liquides et des gaz. Cette force est ressentie par les quarks et les leptons chargés. Elle est portée par les photons.

C’est une onde

    

Ce qui représente la particule est une onde, c’est à dire une grandeur calculable en divers points de l'espace et dont l'évolution au cours du temps est, elle aussi, calculable.
En bref, toutes les particules relèvent de calculs de probabilité et non pas de positions et de vitesses exactement calculables.
L'électrons est l'une des plus légères particules (10-27 gramme) du moins parmi celles qu'on appelle fermions, celles qui tiennent vraiment de la place.
L'électron est nanti d'une charge électrique, à laquelle il doit son nom (1,6 x 10-19 coulomb), c’est la charge électrique élémentaire; cette charge maintient à distance les autres électrons; quand il passe à côté d'un proton, quelque 1800 fois plus lourd, l'électron est attiré et c’est lui, qui fait presque tout le chemin. Ils se retrouvent accrochés l'un à l'autre, le proton au centre presque immobile, l'électron s'étalant de façon un peu désordonnée tout autour de lui.

 

Curieusement, cette force électrique, cette attraction  qui les lie, ne les colle pas vraiment ensemble. Elle contraint seulement l'électron à rester dans un territoire limité, une sorte de case quantique petite mais beaucoup plus grosse que le proton. Leurs deux charges électriques se compensent si exactement que, vue de loin, leur association semble ne pas porter de charge électrique du tout et cet ensemble neutre constitue un atome, le plus simple de tous; l'atome d'hydrogène.

Image : Illustration de l'électron. L'électron n'a pas de localisation précise. Il  apparait et disparait en permanence dans le vide, dans une espèce de vague intemporelle, à la fois un peu ici et un peu là.

 électron

Nombres quantiques atomiques de l'électron

    

En physique des particules, les nombres quantiques atomiques sont des caractéristiques de chaque type de particule élémentaire. Ces nombres permettent de définir l'état quantique complet d'un système.
Les électrons sont distribués autour du noyau de l'atome et répartis dans différentes couches. L'état quantique d'un électron est défini par quatre paramètres (n, l, m, s), appelés les nombres quantiques atomiques :
 - Le nombre quantique principal n prend des valeurs entières (n = 1, 2, 3...) et correspond au niveau d'énergie, à une couche électronique, n est le numéro de la couche quantique à laquelle appartient l'électron.
 - Le nombre quantique secondaire l peut prendre toutes les valeurs comprises entre 0 et n-1. Il détermine la sous-couche électronique correspondante. Les sous-couches sont désignées par des lettres s (sharp) pour l = 0, p (principal) pour l = 1, d (diffuse) pour l = 2, f (fundamental) pour l = 3 puis (pour les états excités) g, h, i... pour l = 4,5,6....
 - Le nombre quantique magnétique m peut prendre toutes les valeurs comprises entre -l et +l. Il détermine l'orientation de l'orbitale atomique.
 - Le nombre quantique de spin s ne peut prendre que les valeurs +1/2 ou −1/2 et détermine la valeur du moment de Spin de l'électron. Il permet de quantifier le moment cinétique intrinsèque de l'électron et définit l'orientation de l'électron dans un champ magnétique.

 

Sur l'image ci-contre, sont représentées les premières orbitales électroniques de l'atome d'hydrogène en fonction de l'énergie de l'électron et de son moment cinétique, le niveau d'énergie augmente de haut en bas (n = 1, 2, 3) et le moment cinétique augmente de gauche à droite, (I = s, p, d, f, g).
En réalité cette image montre la densité de probabilité de trouver l'électron :
- la couleur noire représente la densité 0, c'est à dire la zone où l'électron ne s'aventure jamais.
- La couleur blanche représente la densité maximum, c'est à dire la zone où l'électron passe le plus souvent, celle qui demande le moins d'énergie.
- Entre le noir et le blanc, dans la zone rouge orangée, la densité de probabilité de trouver l'électron croît.
Les nombres quantiques sont représentés par les quatre paramètres suivants :
- n qui est le nombre quantique principal, il définit le niveau d'énergie de l'électron.
- I est le nombre quantique secondaire ou orbital, il définit les sous couches électroniques, s (sharp) pour l = 0, p (principal) pour l = 1, d (diffuse) pour l = 2, f (fundamental) pour l = 3, puis (pour les états excités) g, h, i, ...
- m est le nombre quantique tertiaire ou magnétique.

nota : Dans le modèle quantique, on ne caractérise pas les électrons par leurs trajectoires mais par leurs niveaux énergies.  Un état (n, l, m) définit une case quantique.

 Orbitales électroniques

Image : Représentation des orbitales électroniques de l'atome d'hydrogène en fonction de l'énergie de l'électron et de son moment cinétique. Le niveau d'énergie augmente de haut en bas et le moment cinétique augmente de gauche à droite. Crédit image : GNU Free Documentation License.

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