L’électron est l’unité fondamentale de charge négative de l’univers.On pense qu’il est vraiment fondamental, car il ne peut pas être divisé en particules plus petites, et il n’a pas de structure détectable. Son symbole est généralement e- ou β-.
Charge de l’électron
Tous les électrons portent la charge élémentaire, qui est de -1,602 x 10-19 C.
Champs électriques et magnétiques
Comme toute charge, celle de l’électron génère son propre champ électrique.
Comme l’électron est toujours en mouvement, comme toute charge en mouvement, il génère son propre champ magnétique.
Les atomes de chaque élément chimique possèdent un nombre égal d’électrons chargés négativement et de protons chargés positivement – ils sont donc électriquement neutres.
Masse
Les électrons ont une masse minuscule : 9.109 x 10-31 kg (à quatre chiffres significatifs).
Même comparée aux protons, la masse des électrons est faible : le rapport de masse proton/électron est de 1836 (à quatre chiffres significatifs).
Diamètre
On pense que l’électron n’a ni diamètre ni volume. On pense que c’est une particule ponctuelle.
Localisation et espace occupé
Dans les atomes, les électrons occupent un volume d’espace centré sur le noyau. Les électrons se déplacent dans un volume beaucoup plus grand que celui occupé par le noyau.
- Par exemple, le noyau d’un atome d’hydrogène (un seul proton) a un diamètre de 1,75 x 10-15 m.
- Le diamètre de Bohr de l’atome d’hydrogène, principalement l’espace orbital des électrons, est de 1.06 x 10-10 m.
La différence entre ces diamètres est un facteur d’environ 60 000.
Electrons et composés
Les niveaux d’énergie des électrons et leurs interactions déterminent le comportement chimique et la liaison des substances.Voici des exemples courants :
- Les atomes peuvent s’ioniser pour former des composés
- Les atomes peuvent former des composés en partageant des électrons dans des liaisons covalentes
Particules bêta
Lors de la désintégration bêta radioactive, un neutron se désintègre en un proton.Cette désintégration s’accompagne de l’éjection du noyau d’un antineutrino électronique et d’un électron de très haute énergie appelé particule bêta, symbole β-.
Electricité et magnétisme
L’électricité statique résulte du déplacement des électrons d’un corps sur un autre : cette séparation des charges électriques fait qu’un corps est chargé positivement et l’autre négativement.
Le courant électrique est le flux de charges électriques – généralement des électrons – bien qu’il puisse s’agir d’ions. La conductivité électrique repose sur la facilité de déplacement des électrons.
Le magnétisme résulte du mouvement des électrons.
Chaleur
Les électrons jouent un rôle majeur dans la conduction thermique.
Le besoin de physique quantique
Dans les atomes, les électrons sont liés au noyau par attraction électrostatique.En physique classique, les électrons devraient perdre de l’énergie et s’enrouler en spirale dans le noyau positif. Si tel était le cas, les atomes auraient une durée de vie très limitée.La physique classique ne peut donc pas expliquer l’existence des atomes.
En physique quantique, les électrons ne peuvent occuper que certains niveaux d’énergie définis et, dans des conditions normales, ne se combinent pas avec les protons du noyau.(Les électrons se combinent effectivement avec les protons dans les conditions extrêmes associées aux étoiles à neutrons.)
Dualité onde-particule
La physique quantique a établi le principe de la dualité onde-particule ou onde-matière :les particules peuvent se comporter comme des ondes avec des vitesses, des longueurs d’onde, des amplitudes et des fréquences ; et peuvent être réfléchies, réfractées et diffractées.
L’équation de de Broglie et les ondes des électrons
La longueur d’onde des ondes de matière peut être calculée à partir de l’équation de de Broglie :
où : λ = longueur d’onde ; h = constante de Planck ; et p = quantité de mouvement.
Les électrons ont des longueurs d’onde et peuvent se comporter comme des ondes.
L’équation de Schrödinger
L’équation de Schrödinger permet de calculer la fonction d’onde de mécanique quantique d’un électron, Ψ.
Avec Ψ et Ψ2, on obtient trois des quatre nombres quantiques qui caractérisent les électrons dans un atome ou une molécule et les formes et orientations des orbitales électroniques.
L’équation de Dirac et le spin de l’électron
L’équation de Dirac, une équation d’onde pour les électrons se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière, produit naturellement la propriété de mécanique quantique du spin de l’électron.
Un électron peut avoir un spin de + ½ ou – ½. Les particules subatomiques qui peuvent avoir un spin de + ½ ou – ½ sont appelées fermions.Contrairement aux bosons, deux fermions ne peuvent occuper le même état quantique, ils sont donc soumis au principe d’exclusion de Pauli.
Les électrons sont des fermions et obéissent au principe d’exclusion de Pauli.
Nombres quantiques
Chaque électron dans un atome est caractérisé par quatre nombres quantiques : n, l, ml et ms.
- n : le nombre quantique principal
- l : le nombre quantique de moment angulaire orbital
- ml : le nombre quantique magnétique
- ms : le nombre quantique de spin
Le principe d’exclusion de Pauli dit que deux électrons dans un atome ne peuvent pas avoir les mêmes quatre nombres quantiques : chaque électron doit exister dans un état unique.Les électrons de différents atomes répondent à cette exigence, car les atomes se trouvent à des endroits différents de l’espace.
Moment angulaire
En plus de la masse et de la charge, les électrons possèdent un moment angulaire.Celui-ci se présente sous deux formes : le moment angulaire orbital associé à l’électron en orbite autour du noyau ; et le moment angulaire de spin, mentionné ci-dessus.
Diffraction des électrons
Les méthodes de diffraction des électrons pour déterminer les structures atomiques et moléculaires des solides reposent sur le comportement ondulatoire des électrons.
Electromagnétisme
Les photons de la lumière visible sont produits ou absorbés lorsque les électrons sautent entre les niveaux d’énergie autorisés dans les atomes.
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