L’électron est une particule subatomique chargée négativement qui est un composant important des atomes qui constituent la matière ordinaire. L’électron est fondamental, en ce sens qu’on ne croit pas qu’il puisse être constitué de constituants plus petits. La taille de la charge de l’électron a été considérée pendant de nombreuses années comme l’unité fondamentale de charge présente dans la nature. On pensait que toutes les charges électriques étaient des multiples intégraux de cette charge. Récemment, cependant, des preuves considérables ont été trouvées pour indiquer que les particules classées comme mésons et baryons sont composées d’objets appelés quarks, qui ont des charges de 2/3 ou 1/3 de la charge de l’électron. Par exemple, les neutrons et les protons, qui constituent les noyaux des atomes, sont des baryons. Toutefois, les scientifiques n’ont jamais été en mesure d’observer un quark isolé, de sorte qu’à toutes fins utiles, la charge de l’électron peut toujours être considérée comme l’unité fondamentale de charge présente dans la nature. La magnitude de cette charge, généralement désignée par e, a été mesurée très précisément et est de 1,602177 × 10-19 coulombs. La masse de l’électron est petite même par rapport aux normes atomiques et a la valeur 9,109389 × 10-31 kg (0,5110 M V/c2 e , soit seulement environ 1/1836 de la masse du proton.
Tous les atomes trouvés dans la nature ont un noyau chargé positivement autour duquel se déplacent les électrons chargés négativement. L’atome est électriquement neutre et donc la charge électrique positive du noyau a la même magnitude que la charge négative due à tous les électrons. Les électrons sont maintenus dans l’atome par la force d’attraction exercée sur eux par le noyau chargé positivement. Ils se déplacent très rapidement autour du noyau sur des orbites dont l’énergie est très précise, formant une sorte de nuage électronique autour de celui-ci. Dans un atome typique, certains électrons peuvent être très proches du noyau, tandis que d’autres peuvent se trouver à des distances plusieurs milliers de fois supérieures au diamètre du noyau. Ainsi, le nuage d’électrons détermineFigure 1. Illustration de Hans & Cassidy. Avec l’aimable autorisation du Gale Group.la taille de l’atome. Ce sont les électrons les plus externes qui déterminent le comportement chimique des différents éléments. La taille et la forme des nuages d’électrons autour des atomes ne peuvent être expliquées qu’en utilisant un domaine de la physique appelé mécanique quantique.
Dans les métaux, certains des électrons ne sont pas étroitement liés aux atomes et sont libres de se déplacer dans le métal sous l’influence d’un champ électrique. C’est cette situation qui explique le fait que la plupart des métaux sont de bons conducteurs d’électricité et de chaleur.
La théorie quantique explique également plusieurs autres propriétés plutôt étranges des électrons. Les électrons se comportent comme s’ils tournaient, et la valeur du moment angulaire associé à ce spin est fixe ; il n’est donc pas surprenant que les électrons se comportent aussi comme de petits aimants. La façon dont les électrons sont disposés dans certains matériaux, comme le fer, fait que ces matériaux sont magnétiques. L’existence du positron, l’antiparticule de l’électron, a été prédite par le physicien français Paul Dirac en 1930. Pour prédire cette antiparticule, il a utilisé une version de la mécanique quantique qui incluait les effets de la théorie de la relativité. La charge du positron a la même magnitude que celle de l’électron, mais elle est positive. La prédiction de Dirac est vérifiée deux ans plus tard lorsque le positron est observé expérimentalement par Carl Anderson dans une chambre à nuages utilisée pour la recherche sur les rayons cosmiques. Le positron n’existe pas très longtemps en présence de la matière ordinaire car il entre bientôt en contact avec un électron ordinaire et les deux particules s’annihilent, produisant un rayon gamma d’une énergie égale à l’équivalent énergétique des deux masses d’électrons, selon la célèbre équation d’Einstein E = mc2.
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