Temps de l'atome

 

L'électron

par Étienne Robert et N. L.

On pourrait dire que, sur la Terre, tout se résume à une seule chose: ce qui nous entoure est constitué d'une infinité d'atomes. Hé oui, un arbre, une voiture, un chat, tout revient à l'atome! Constitué du neutron, du proton et de l'électron, l'atome est une petite et même une minuscule merveille. Un de ces constituants a attiré particulièrement notre attention, l'électron.

Par qui, quand et comment a été découvert l'électron?

C'est en 1856 que le physicien britannique Joseph John Thomson naquit près de Manchester, dans le Lancashire. Il fit des études au collège Owens et au Trinity College à Cambridge. Il y enseigna les mathématiques et la physique et dirigea Trinity College de 1918 à 1940. Il fut également président de la Société royale (1915-1920) et professeur de philosophie naturelle à l'Institution royale de Grande-Bretagne (1905-1918).

Thomson reçut, en 1906, le prix Nobel de physique pour son travail sur la conduction de l'électricité par les gaz. Il est à l'origine de la découverte de l'électron par ses expérimentations sur les flux de particules créés par les rayons cathodiques. Il avança, en 1898, la théorie du «pain aux raisins» sur la structure atomique dans laquelle les électrons sont considérés comme des «raisins» négatifs enfoncés dans un «pain» de matière positive.

L'expérience des rayons cathodiques

Tout commença en 1854 lorsqu'un souffleur de verre allemand, Heinrich Geissler, inventa une pompe à vide et fabriqua un tube de verre dans lequel se trouvaient deux électrodes métalliques, dans un vide d'une qualité supérieure. Une lueur sur la paroi du tube, en face de l'électrode négative, fut interprétée comme étant l'impact sur le verre d'un rayonnement émis par cette électrode. Ce rayonnement fut baptisé «rayons cathodiques» par Goldstein en 1876. Mais, ce n'est que 21 ans plus tard que Thomson régla définitivement la question en montrant que les rayons cathodiques étaient aussi déviés par des champs électriques. Qu'elle était donc la nature de ces «particules» cathodiques? Les seules particules négatives connues à l'époque étaient les ions atomiques. Mais la déviation dans un champ magnétique des rayons cathodiques était si importante, que les particules du rayon devaient avoir une charge électrique incroyablement élevée, ou alors elles devaient être très légères, c'est-à-dire avoir une masse inférieure à la masse d'un atome d'hydrogène.

Schéma de l'expérience des rayons cathodiques réalisée par Thomson en 1897

C'est cette dernière hypothèse qui fut confirmée par l'expérience. Les physiciens avaient déjà eu l'idée que le courant électrique était constitué de particules et les particules des rayons cathodiques furent considérées comme les ultimes particules d'électricité. On les appela électrons. On détermina finalement que la masse de l'électron valait 1/1 836 fois la masse de l'atome d'hydrogène. Thomson en fit la preuve en éclairant une plaque métallique par une lumière ultraviolette et en montrant que les particules qui en jaillissaient étaient identiques aux électrons des rayons cathodiques.

Lien entre l'électron et l'électricité

Un électron qui tourne autour d'un noyau est équivalent à un courant électrique. Il crée, perpendiculairement à son orbite, un champ magnétique. La rotation des charges électriques induit un champ parallèle à l'axe de rotation, équivalent à un courant. C'est le déplacement des électrons libres dans un conducteur qui est à l'origine du passage du courant électrique. Dans un tube à vide, une cathode chauffée émet un faisceau d'électrons qui peut être utilisé pour amplifier ou redresser un courant électrique.

Exemple de l'électron dans notre quotidien

Les rayons cathodiques dirigés sur certaines cibles créent des rayons X, par exemple, sur l'écran fluorescent d'un tube de télévision, les rayons cathodiques sont à l'origine des images visibles.

Propriétés caractéristiques de l'électron

Thomson a découvert la masse de l'électron en mesurant, dans le tube cathodique, la déviation du faisceau lumineux en direction de l'anode positive, provoquée par le courant électrique. C'est alors qu'il conclut que la masse de l'électron était de 9,1083 x 10-28 g et qu'il avait une charge électrique de -1,602 x 10-19 C. La charge de l'électron négative est l'unité de base en électricité.

L'antiparticule de l'électron est le positron, qui se manifeste dans la radioactivité bêta, ou dans l'annihilation des rayons gamma.

On utilise les électrons pour l'observation d'objets trop petits pour les microscopes optiques grâce à leur propriété ondulatoire. Les électrons sont des fermions, car leur spin est de ½ et ils obéissent à l'ensemble de règles de la statistique de Fermi-Dirac. Le concept de spin est d'ailleurs lié à la théorie quantique, que nous devons au physicien français Louis de Broglie, pour avoir découvert, en 1924, la nature ondulatoire des électrons.

La nature ondulatoire de l'électron

Louis de Broglie (1892-1987), responsable de la découverte de la nature ondulatoire de l'électron, reçut le prix Nobel de physique en 1929. Il fut élu à l'Académie des sciences en 1933 et à l'Académie française en 1943. Il fut nommé professeur de physique théorique à l'Université de Paris (1928), secrétaire perpétuel de l'Académie des sciences (1942) et conseiller au Commissariat à l'énergie atomique (1945).

Conclusion

De nos jours, il y a plusieurs points importants à comprendre sur l'électron. La position de l'électron autour du noyau n'est pas certaine; on ne peut le localiser précisément, mais on sait qu'il se trouve dans une certaine région que l'on nomme «orbite». Aujourd'hui, l'électron n'est même plus considéré comme une particule de l'atome (comme nous avait prouvé J.J. Thomson), mais comme une simple quantité d'énergie, selon la théorie quantique. Les scientifiques de notre époque nous ont informé que de plus petites particules composent l'électron, on les appelle les quarks.

 

Bibliographie

ASIMOV, Isaac. Asimov's to Science, New-York, Basic Books Inc. Publishers, 1994, 888 p.

«Électron». Encyclopédie Microsoft Encarta 98 [CD-ROM]. Microsoft Corporation, 1997.

«Thomson, sir Joseph John». Encyclopédie Microsoft Encarta 98 [CD-ROM]. Microsoft Corporation, 1997.

Feinberg, Gerald. «Atom». 1995 Grolier Multimedia Encyclopedia [CD-ROM]. Version 7.05, Grolier Electronic Publishing Inc., 1995.