Électron

L' électron ( e⁻, ou β⁻Dans les réactions nucléaires, un quark est une particule subatomique dont la charge électrique est de -1 . C'est une particule élémentaire qui constitue la matière ordinaire de l'univers, avec les quarks up et down .

Les électrons sont des particules extrêmement légères. Dans les atomes , l'onde de matière d'un électron occupe des orbitales atomiques autour d'un noyau atomique chargé positivement . La configuration électronique et les niveaux d'énergie des électrons d'un atome déterminent ses propriétés chimiques . Les électrons sont liés au noyau à des degrés divers. Les électrons de valence , les plus externes , sont les moins fortement liés et sont responsables de la formation des liaisons chimiques entre les atomes, permettant ainsi la création de molécules et de cristaux . Ces électrons de valence facilitent également tous les types de réactions chimiques en étant transférés ou partagés entre les atomes. Les couches électroniques internes constituent le cœur atomique .

Le concept d'électrons explique de nombreux phénomènes physiques . Dans les métaux , les électrons de valence et de valence sont délocalisés et libres de se déplacer, ce qui explique leur conductivité électrique et thermique élevée . Dans les semi-conducteurs , le nombre de porteurs de charge mobiles (électrons et trous ) peut être ajusté avec précision par dopage , température, tension et rayonnement – ​​principe fondamental de l'électronique moderne .

Les électrons peuvent exister sous forme de particules libres . Sous forme de faisceaux de particules dans le vide , les électrons libres peuvent être accélérés , focalisés et utilisés dans des applications telles que les tubes cathodiques , les microscopes électroniques , le soudage par faisceau d'électrons , la lithographie et les accélérateurs de particules qui génèrent un rayonnement synchrotron .

Les électrons appartiennent à la première génération de la famille des leptons , des particules élémentaires qui ne subissent pas l'interaction forte et n'interagissent que par l'intermédiaire des interactions faible et électromagnétique. On considère généralement les électrons comme des particules élémentaires car ils ne possèdent aucun composant ni sous-structure connus. La masse d'un électron est approximativement de ⁠1/1836⁠ celle d'un proton . Les propriétés quantiques de l'électron comprennent un moment angulaire intrinsèque ( spin ) égal à la moitié de la constante de Planck réduite , c'est -à-dire ⁠ħ/2Étant des fermions , deux électrons ne peuvent occuper le même état quantique , conformément au principe d'exclusion de Pauli [ Comme toutes les particules élémentaires, les électrons présentent des propriétés à la fois corpusculaires et ondulatoires . Par exemple, ils peuvent entrer en collision avec d'autres particules et être diffractés comme des ondes lumineuses. Les propriétés ondulatoires des électrons sont plus faciles à observer expérimentalement que celles d'autres particules comme les neutrons et les protons, car les électrons ont une masse plus faible et, par conséquent, une longueur d'onde de de Broglie plus grande pour une énergie donnée.

Le concept d'électron est essentiel pour expliquer des phénomènes physiques tels que l'électricité , le magnétisme , la chimie et la conductivité thermique ; les électrons sont soumis aux forces de gravité , d'électromagnétisme et d' interaction faible . Puisqu'un électron possède une charge électrique, il est entouré d'un champ électrique ; si cet électron est en mouvement par rapport à un observateur, ce dernier percevra un champ magnétique . Les champs électromagnétiques d'autres sources influencent le mouvement d'un électron selon la loi de Lorentz . Les électrons émettent ou absorbent de l'énergie sous forme de photons lorsqu'ils sont accélérés.

Les instruments de laboratoire sont capables de piéger des électrons individuels ainsi que des plasmas d'électrons grâce à l'utilisation de champs électromagnétiques. Des télescopes spéciaux peuvent détecter des plasmas d'électrons dans l'espace. Les électrons interviennent dans de nombreuses applications, telles que la tribologie ou la charge par friction, l'électrolyse, l'électrochimie, les technologies des batteries, l'électronique , le soudage , les tubes cathodiques , la photoélectricité, les panneaux solaires photovoltaïques, les microscopes électroniques , la radiothérapie , les lasers , les détecteurs à ionisation gazeuse et les accélérateurs de particules .

Les interactions impliquant les électrons avec d'autres particules subatomiques présentent un intérêt dans des domaines tels que la chimie et la physique nucléaire . Les atomes sont composés de protons positifs au sein du noyau atomique et d'électrons négatifs à l'extérieur, maintenus ensemble par l'interaction de Coulomb . L'état d'ionisation (différences dans les proportions d'électrons négatifs par rapport aux noyaux positifs) ou le partage d'électrons entre deux atomes ou plus sont les principales causes de la liaison chimique .

Les électrons participent aux réactions nucléaires , comme la nucléosynthèse au sein des étoiles , où ils sont appelés particules bêta . Ils peuvent être créés par désintégration bêta d' isotopes radioactifs et lors de collisions à haute énergie, par exemple lorsque des rayons cosmiques pénètrent dans l'atmosphère. L' antiparticule de l'électron est appelée positron ; elle est identique à l'électron, à ceci près qu'elle porte une charge électrique de signe opposé. Lorsqu'un électron entre en collision avec un positron , les deux particules peuvent s'annihiler , produisant des photons gamma .

Les Grecs de l'Antiquité avaient remarqué que l'ambre attirait les petits objets lorsqu'on la frottait avec de la fourrure. Avec la foudre , ce phénomène compte parmi les premières expériences d' électricité documentées par l'humanité . Dans son traité De Magnete , publié en 1600 , le scientifique anglais William Gilbert forgea le terme néo-latin electrica pour désigner les substances aux propriétés similaires à celles de l'ambre, qui attirent les petits objets après avoir été frottées. Les mots « électrique » et « électricité » dérivent tous deux du latin ēlectrum (qui est aussi la racine de l' alliage du même nom ), lui-même issu du mot grec ἤλεκτρον ( ēlektron ) , qui signifie ambre .

Au début du XVIIIe siècle, le chimiste français Charles François du Fay découvrit que si une feuille d'or chargée était repoussée par du verre frotté avec de la soie, elle était attirée par de l'ambre frotté avec de la laine. À partir de ce résultat et d'autres expériences similaires, du Fay conclut que l'électricité est constituée de deux fluides électriques : un fluide vitreux issu du frottement du verre avec de la soie et un fluide résineux issu du frottement de l'ambre avec de la laine. Ces deux fluides peuvent se neutraliser mutuellement lorsqu'ils sont mélangés. Le scientifique américain Ebenezer Kinnersley parvint plus tard, indépendamment, à la même conclusion. Une décennie plus tard, Benjamin Franklin proposa que l'électricité ne provienne pas de différents types de fluides électriques, mais d'un seul fluide électrique présentant un excès (+) ou un déficit (−). Il leur attribua la nomenclature moderne des charges positive et négative, respectivement. Franklin considérait le porteur de charge comme étant positif, mais il n'identifia pas correctement quelle situation correspondait à un excès et quelle situation correspondait à un déficit.

Entre 1838 et 1851, le naturaliste britannique Richard Laming développa l'idée qu'un atome est composé d'un noyau de matière entouré de particules subatomiques possédant des charges électriques unitaires . À partir de 1846, le physicien allemand Wilhelm Eduard Weber émit l'hypothèse que l'électricité était constituée de fluides chargés positivement et négativement, et que leur interaction était régie par la loi de l'inverse du carré de la distance . Après avoir étudié le phénomène d' électrolyse en 1874, le physicien irlandais George Johnstone Stoney suggéra l'existence d'une « quantité d'électricité unique et définie », la charge d'un ion monovalent . Il parvint à estimer la valeur de cette charge élémentaire e grâce aux lois de Faraday sur l'électrolyse . Cependant, Stoney pensait que ces charges étaient liées de manière permanente aux atomes et ne pouvaient être retirées. En 1881, le physicien allemand Hermann von Helmholtz a soutenu que les charges positives et négatives étaient divisées en parties élémentaires, chacune d'elles « se comporte comme des atomes d'électricité ».

Stoney a initialement forgé le terme « électrolion » en 1881. Dix ans plus tard, il a opté pour « électron » pour décrire ces charges élémentaires, écrivant en 1894 : « … une estimation a été faite de la quantité réelle de cette unité fondamentale d’électricité des plus remarquables, pour laquelle j’ai depuis lors suggéré le nom d’électron ». Une proposition de 1906 visant à changer le terme en « électrion » a échoué car Hendrik Lorentz préférait conserver « électron » . Le mot « électron » est une combinaison des mots « électrique » et « ion » . Le suffixe « -on » , qui est maintenant utilisé pour désigner d’autres particules subatomiques, telles qu’un proton ou un neutron, est lui-même dérivé d’« électron ».

En 1859, alors qu'il étudiait la conductivité électrique des gaz raréfiés , le physicien allemand Julius Plücker observa que le rayonnement émis par la cathode provoquait l'apparition d'une lumière phosphorescente sur la paroi du tube, près de la cathode ; la zone de phosphorescence pouvait être déplacée par l'application d'un champ magnétique. En 1869, Johann Wilhelm Hittorf, élève de Plücker, constata qu'un corps solide placé entre la cathode et la zone de phosphorescence projetait une ombre sur cette dernière. Hittorf en déduisit que des rayons rectilignes étaient émis par la cathode et que la phosphorescence était due à l'impact de ces rayons sur les parois du tube. De plus, il découvrit que ces rayons étaient déviés par des aimants, à l'instar des lignes de courant.

En 1876, le physicien allemand Eugen Goldstein démontra que les rayons étaient émis perpendiculairement à la surface de la cathode, ce qui permit de les distinguer de la lumière incandescente. Goldstein nomma ces rayons « rayons cathodiques » . Des décennies de recherches expérimentales et théoriques sur les rayons cathodiques jouèrent un rôle important dans la découverte de l’électron par J.J. Thomson . Goldstein mena également des expériences avec des cathodes doubles et émit l’hypothèse qu’un rayon pouvait repousser l’autre, bien qu’il ne pensât pas à l’implication de particules.

Dans les années 1870, le chimiste et physicien anglais Sir William Crookes mit au point le premier tube cathodique à vide poussé . Il démontra ensuite, en 1874, que les rayons cathodiques pouvaient faire tourner une petite roue à aubes placée sur leur trajet. Il en conclut que les rayons étaient porteurs d'une quantité de mouvement. De plus, en appliquant un champ magnétique, il parvint à dévier les rayons, démontrant ainsi que le faisceau se comportait comme s'il était chargé négativement. En 1879, il proposa que ces propriétés puissent s'expliquer en considérant les rayons cathodiques comme composés de molécules gazeuses chargées négativement dans un quatrième état de la matière , où le libre parcours moyen des particules est si long que les collisions sont négligeables.

En 1883, le physicien allemand Heinrich Hertz, alors peu connu, tenta de prouver la neutralité électrique des rayons cathodiques et obtint ce qu'il interpréta comme une absence certaine de déviation dans un champ électrostatique, par opposition à un champ magnétique. Cependant, comme l'expliqua J.J. Thomson en 1897, Hertz avait placé les électrodes de déviation dans une zone très conductrice du tube, ce qui entraînait un fort effet d'écran à proximité de leur surface.

Le physicien britannique d'origine allemande Arthur Schuster a approfondi les expériences de Crookes en plaçant des plaques métalliques parallèles aux rayons cathodiques et en appliquant un potentiel électrique entre ces plaques. Le champ magnétique a dévié les rayons vers la plaque chargée positivement, confirmant ainsi que les rayons portaient une charge négative. En mesurant l'amplitude de la déviation pour un champ électrique et magnétique donné , Schuster a pu, en 1890, estimer le rapport charge/masse des composants des rayons. Cependant, la valeur obtenue était plus de mille fois supérieure à la valeur attendue, ce qui a valu à ses calculs d'être peu crédibles à l'époque. En effet, on supposait alors que les porteurs de charge étaient des atomes d'hydrogène ou d'azote beaucoup plus lourds . Les estimations de Schuster se révéleront par la suite largement exactes.

En 1892, Hendrik Lorentz a suggéré que la masse de ces particules (électrons) pourrait être une conséquence de leur charge électrique.

En étudiant des minéraux naturellement fluorescents en 1896, le physicien français Henri Becquerel découvrit qu'ils émettaient des rayonnements sans apport d'énergie externe. Ces matériaux radioactifs suscitèrent un vif intérêt chez les scientifiques, notamment chez le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford, qui découvrit qu'ils émettaient des particules. Il nomma ces particules alpha et bêta , en fonction de leur capacité à pénétrer la matière. En 1900, Becquerel démontra que les rayons bêta émis par le radium pouvaient être déviés par un champ électrique et que leur rapport masse/charge était identique à celui des rayons cathodiques. Ces observations confortèrent l'idée que les électrons existaient en tant que constituants des atomes.

En 1897, le physicien britannique J.J. Thomson , avec ses collègues John S. Townsend et H.A. Wilson , réalisa des expériences démontrant que les rayons cathodiques étaient bel et bien des particules uniques, et non des ondes, des atomes ou des molécules comme on le croyait auparavant. Dès 1899, il montra que leur rapport charge/masse, e / m , était indépendant du matériau cathodique. Il montra également que les particules chargées négativement produites par les matériaux radioactifs, chauffés ou illuminés étaient universelles. Thomson mesura le rapport m / e des « corpuscules » de rayons cathodiques et estima avec précision la charge e , ce qui lui permit de calculer la masse m , une valeur 1 400 fois inférieure à celle de l’ion le moins massif connu : l’hydrogène. La même année, Emil Wiechert et Walter Kaufmann calculèrent également le rapport e / m , mais ne franchirent pas le pas d'interpréter leurs résultats comme démontrant l'existence d'une nouvelle particule, tandis que J.J. Thomson donnerait plus tard, en 1899, des estimations de la charge et de la masse de l'électron : e ≈ 6,8 × 10 ⁻¹⁰ esu et m ≈ 3 × 10 ⁻²⁶ g .

Le nom « électron » a été adopté pour ces particules par la communauté scientifique, principalement grâce aux efforts de GF FitzGerald , J. Larmor et HA Lorentz . Le terme a été initialement forgé par George Johnstone Stoney en 1891 comme nom provisoire pour l'unité de base de la charge électrique (qui n'avait pas encore été découverte).

La charge de l'électron a été mesurée avec plus de précision par les physiciens américains Robert Millikan et Harvey Fletcher lors de leur expérience de la goutte d'huile en 1909, dont les résultats ont été publiés en 1911. Cette expérience utilisait un champ électrique pour empêcher une goutte d'huile chargée de tomber sous l'effet de la gravité. Ce dispositif permettait de mesurer la charge électrique d'un nombre aussi restreint que 1 à 150 ions avec une marge d'erreur inférieure à 0,3 %. Des expériences comparables avaient été réalisées auparavant par l'équipe de Thomson , à l'aide de nuages ​​de gouttelettes d'eau chargées générés par électrolyse, et en 1911 par Abram Ioffe , qui obtint indépendamment le même résultat que Millikan en utilisant des microparticules métalliques chargées, puis publia ses résultats en 1913 Cependant, les gouttes d'huile étaient plus stables que les gouttes d'eau en raison de leur vitesse d'évaporation plus lente, et donc plus adaptées à des expériences précises sur de longues périodes

Au début du XXe siècle, on a découvert que, dans certaines conditions, une particule chargée se déplaçant à grande vitesse provoquait la condensation de vapeur d'eau sursaturée le long de sa trajectoire. En 1911, Charles Wilson a utilisé ce principe pour concevoir sa chambre à brouillard afin de photographier les trajectoires de particules chargées, telles que des électrons se déplaçant à grande vitesse.

En 1914, les expériences des physiciens Ernest Rutherford , Henry Moseley , James Franck et Gustav Hertz avaient largement établi la structure de l'atome : un noyau dense de charge positive entouré d'électrons de masse inférieure. En 1913, le physicien danois Niels Bohr postula que les électrons résidaient dans des états d'énergie quantifiés, dont l'énergie était déterminée par le moment cinétique de leur orbite autour du noyau. Les électrons pouvaient passer d'un état, ou orbite, à un autre par émission ou absorption de photons de fréquences spécifiques. Grâce à ces orbites quantifiées, il expliqua avec précision les raies spectrales de l'atome d'hydrogène. Cependant, le modèle de Bohr ne rendait pas compte des intensités relatives des raies spectrales et ne permettait pas d'expliquer les spectres d'atomes plus complexes.

Les liaisons chimiques entre atomes ont été expliquées par Gilbert Newton Lewis , qui proposa en 1916 qu'une liaison covalente entre deux atomes est maintenue par une paire d'électrons partagée entre eux. Plus tard, en 1927, Walter Heitler et Fritz London donnèrent une explication complète de la formation des paires d'électrons et des liaisons chimiques en termes de mécanique quantique . En 1919, le chimiste américain Irving Langmuir développa le modèle statique de l'atome de Lewis et suggéra que tous les électrons étaient répartis dans des couches concentriques successives, quasi sphériques et d'épaisseur égale. Il divisa ensuite ces couches en un certain nombre de cellules, chacune contenant une paire d'électrons. Grâce à ce modèle, Langmuir put expliquer qualitativement les propriétés chimiques de tous les éléments du tableau périodique, dont on savait qu'elles se répétaient en grande partie selon la loi périodique .

En 1924, le physicien autrichien Wolfgang Pauli observa que la structure en couches de l'atome pouvait s'expliquer par un ensemble de quatre paramètres définissant chaque état d'énergie quantique, pourvu que chaque état soit occupé par un seul électron. Cette interdiction, selon laquelle un seul électron peut occuper le même état d'énergie quantique, est connue sous le nom de principe d'exclusion de Pauli . Le mécanisme physique expliquant le quatrième paramètre, qui possède deux valeurs distinctes possibles, fut proposé par les physiciens néerlandais Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck . En 1925, ils suggérèrent qu'un électron, outre le moment cinétique de son orbite, possède un moment cinétique intrinsèque et un moment dipolaire magnétique . Ceci est analogue à la rotation de la Terre sur son axe lors de sa révolution autour du Soleil. Le moment cinétique intrinsèque, appelé spin , expliqua le dédoublement, jusque-là mystérieux, des raies spectrales observé avec un spectrographe à haute résolution ; ce phénomène est connu sous le nom de structure fine .

Dans sa thèse de 1924 , Recherches sur la théorie des quanta, le physicien français Louis de Broglie a émis l'hypothèse que toute matière pouvait être représentée comme une onde de de Broglie, à l'instar de la lumière . Autrement dit, dans des conditions appropriées, les électrons et les autres particules présenteraient des propriétés ondulatoires. Les propriétés corpusculaires d'une particule sont démontrées lorsqu'on observe qu'elle possède une position localisée dans l'espace, le long de sa trajectoire, à chaque instant . La nature ondulatoire de la lumière est mise en évidence, par exemple, lorsqu'un faisceau lumineux traverse des fentes parallèles, créant ainsi des figures d'interférence . En 1927, George Paget Thomson et Alexander Reid ont découvert que cet effet d'interférence se produisait lorsqu'un faisceau d'électrons traversait de fines feuilles de celluloïd, puis des films métalliques. Les physiciens américains Clinton Davisson et Lester Germer l'ont également observé lors de la réflexion d'électrons sur un cristal de nickel . Alexander Reid, qui était l'étudiant diplômé de Thomson, a réalisé les premières expériences, mais il est mort peu de temps après dans un accident de moto et est rarement mentionné.

La prédiction de De Broglie concernant la nature ondulatoire des électrons a conduit Erwin Schrödinger à postuler une équation d'onde pour les électrons se déplaçant sous l'influence du noyau atomique. En 1926, cette équation, l' équation de Schrödinger , a décrit avec succès la propagation des ondes électroniques . Plutôt que de fournir une solution déterminant la position d'un électron au cours du temps, cette équation d'onde permettait également de prédire la probabilité de trouver un électron à proximité d'une position, notamment à proximité de son point de liaison spatiale, pour lequel les équations d'onde électroniques restaient constantes. Cette approche a mené à une seconde formulation de la mécanique quantique (la première étant due à Heisenberg en 1925), et les solutions de l'équation de Schrödinger, tout comme celles de Heisenberg, ont fourni des dérivations des états d'énergie d'un électron dans un atome d'hydrogène équivalentes à celles obtenues initialement par Bohr en 1913, et connues pour reproduire le spectre de l'hydrogène. Une fois que le spin et l'interaction entre plusieurs électrons ont été descriptibles, la mécanique quantique a permis de prédire la configuration des électrons dans les atomes dont le numéro atomique est supérieur à celui de l'hydrogène.

En 1928, s'appuyant sur les travaux de Wolfgang Pauli, Paul Dirac élabora un modèle de l'électron – l' équation de Dirac – compatible avec la théorie de la relativité , en appliquant des considérations relativistes et de symétrie à la formulation hamiltonienne de la mécanique quantique du champ électromagnétique. Afin de résoudre certains problèmes au sein de son équation relativiste, Dirac développa en 1930 un modèle du vide comme un océan infini de particules d'énergie négative, plus tard appelé mer de Dirac . Ceci le conduisit à prédire l'existence d'un positron, l' antiparticule de l'électron. Cette particule fut découverte en 1932 par Carl Anderson , qui proposa de nommer les électrons standards « négatrons » et d'utiliser le terme générique « électron » pour désigner à la fois les électrons chargés positivement et négativement.

En 1947, Willis Lamb , en collaboration avec l'étudiant Robert Retherford , découvrit que certains états quantiques de l'atome d'hydrogène, qui devraient avoir la même énergie, étaient décalés les uns par rapport aux autres ; cette différence fut appelée décalage de Lamb . À peu près à la même époque, Polykarp Kusch , en collaboration avec Henry M. Foley , découvrit que le moment magnétique de l'électron était légèrement supérieur à celui prédit par la théorie de Dirac. Cette faible différence fut plus tard appelée moment dipolaire magnétique anormal de l'électron. Elle fut expliquée ultérieurement par la théorie de l'électrodynamique quantique , développée par Sin-Itiro Tomonaga , Julian Schwinger et Richard Feynman à la fin des années 1940.

Avec le développement des accélérateurs de particules durant la première moitié du XXe siècle, les physiciens ont commencé à étudier plus en profondeur les propriétés des particules subatomiques . La première tentative réussie d'accélération d'électrons par induction électromagnétique a été réalisée en 1942 par Donald Kerst . Son premier bétatron a atteint des énergies de 2,3 MeV, tandis que les bétatrons suivants ont atteint 300 MeV. En 1947, le rayonnement synchrotron a été découvert grâce à un synchrotron à électrons de 70 MeV chez General Electric . Ce rayonnement était produit par l'accélération d'électrons dans un champ magnétique alors qu'ils se déplaçaient à une vitesse proche de celle de la lumière.

Avec une énergie de faisceau de 1,5 GeV, le premier collisionneur de particules à haute énergie fut ADONE , qui entra en service en 1968. Cet appareil accélérait les électrons et les positrons dans des directions opposées, doublant ainsi l'énergie de leur collision par rapport à l'impact d'un électron sur une cible statique. Le Grand collisionneur électron-positron (LEP) du CERN , opérationnel de 1989 à 2000, atteignit des énergies de collision de 209 GeV et permit des mesures importantes pour le Modèle standard de la physique des particules.

Il est désormais possible de confiner facilement des électrons individuels dans des transistors CMOS ultra-petits ( L = 20 nm , W = 20 nm ) fonctionnant à des températures cryogéniques comprises entre environ 4 K (−269 °C) et 15 K (−258 °C). La fonction d'onde de l'électron se propage dans un réseau semi-conducteur et interagit de manière négligeable avec les électrons de la bande de valence ; elle peut donc être traitée dans le formalisme de la particule unique, en remplaçant sa masse par le tenseur de masse effective .

Dans le modèle standard de la physique des particules, les électrons appartiennent au groupe des particules subatomiques appelées leptons , considérées comme des particules fondamentales ou élémentaires . Les électrons ont la plus faible masse de tous les leptons chargés (ou particules électriquement chargées) et appartiennent à la première génération de particules fondamentales. Les deuxième et troisième générations contiennent les leptons chargés, le muon et le tau , qui sont identiques à l'électron en termes de charge, de spin et d'interactions , mais plus massifs. Les leptons se distinguent des quarks , l'autre constituant fondamental de la matière , par l'absence d' interaction forte . Tous les membres du groupe des leptons sont des fermions car ils possèdent tous un spin demi-entier impair ; l'électron possède un spin ⁠.ħ/2⁠ .

La masse invariante d'un électron est approximativement9,109 × 10 ⁻³¹ kg , ou5,486 × 10⁻⁴ Da . En raison de l' équivalence masse-énergie , cela correspond à une énergie de repos ^de8,19 × 10 ⁻¹⁴ J (0,511 MeV ). Le rapport entre la masse d'un proton et celle d'un électron est d'environ 1836. Les mesures astronomiques montrent que le rapport de masse proton-électron a conservé la même valeur, comme le prédit le modèle standard, pendant au moins la moitié de l' âge de l'univers .

Les électrons possèdent une charge électrique de−1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ C , qui est utilisée comme unité standard de charge pour les particules subatomiques, et est également appelée charge élémentaire . Dans les limites de la précision expérimentale, la charge de l'électron est identique à la charge d'un proton, mais de signe opposé.

L'électron est généralement symbolisé par e.⁻pour indiquer sa charge négative (l'antiparticule de l'électron, le positron, est symbolisée par e).⁺pour indiquer sa charge identique mais positive).

L'électron possède un moment angulaire intrinsèque ou spin de ⁠ħ/2⁠ . Cette propriété est généralement exprimée en considérant l'électron comme une particule de spin 1/2 . Pour de telles particules, la magnitude du spin est ⁠ħ/2⁠ , tandis que le résultat de la mesure d'une projection du spin sur un axe quelconque ne peut être que ± ⁠ħ/2Outre le spin, l'électron possède un moment magnétique intrinsèque le long de son axe spin. 81 Il est approximativement égal à un magnéton de Bohr , qui est une constante physique égale à9,274 010 0657 (29) × 10 ⁻²⁴ J⋅T ⁻¹ . L'orientation du spin par rapport à l'impulsion de l'électron définit la propriété des particules élémentaires connue sous le nom d'hélicité .

L'électron ne possède pas de sous-structure connue . Néanmoins, en physique de la matière condensée , une séparation spin-charge peut se produire dans certains matériaux. Dans ce cas, l'électron se « divise » en trois particules indépendantes : le spinon , l' orbiton et l' holon (ou chargon). L'électron peut toujours être considéré théoriquement comme un état lié de ces trois particules, le spinon portant le spin de l'électron, l'orbiton portant le degré de liberté orbital et le chargon portant la charge. Cependant, dans certaines conditions, ces particules peuvent se comporter comme des quasi-particules indépendantes .

La diffusion électron-électron ne montre aucune déviation par rapport à la loi de Coulomb : expérimentalement, l’électron est sans structure et ponctuel. L’observation d’un seul électron dans un piège de Penning suggère que la limite supérieure du rayon de la particule est de10 ⁻²² m . La limite supérieure du rayon de l'électron10 ⁻¹⁸ m peut être dérivé en utilisant la relation d’incertitude en énergie.

Les concepts théoriques de la taille de l'électron sont ambigus. En mécanique quantique relativiste, l' équation de Dirac traite l'électron comme une charge ponctuelle, contrairement à la forme équivalente de Newton-Wigner . En théorie quantique des champs, les traitements mathématiques de l'auto-énergie font intervenir une distance minimale de coupure ou une énergie équivalente. Les distances plus courtes (énergies élevées) nécessitent l'ajout de termes supplémentaires.

Les tentatives de création de modèles non quantiques et non ponctuels aboutissent à des contradictions. Par exemple, un électron en rotation mécanique, possédant le rayon classique de l'électron et le rapport gyromagnétique observé , aurait une vitesse tangentielle supérieure à celle de la lumière . Le rayon classique de l'électron, avec sa valeur beaucoup plus grande de2,8179 × 10 ⁻¹⁵ m (supérieur au rayon du proton) est utilisé comme constante physique mais ne constitue pas une mesure de la structure fondamentale de l'électron.

Dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules, l'électron est considéré comme stable. L'électron est la particule connue la moins massive possédant une charge électrique non nulle : en supposant la conservation de l'énergie , sa désintégration violerait la conservation de la charge . De nombreuses expériences ont cherché à mettre en évidence des violations du Modèle Standard et de la conservation de la charge en observant la désintégration de l'électron. La limite inférieure expérimentale de la durée de vie moyenne de l'électron est6,6 × 10⁻²⁸ ans, avec un niveau de confiance ^de 90 % .

Comme toutes les particules, les électrons peuvent se comporter comme des ondes. C’est ce qu’on appelle la dualité onde-corpuscule , et cela peut être démontré par l’ expérience des fentes de Young .

La nature ondulatoire de l'électron lui permet de traverser simultanément deux fentes parallèles, contrairement à une particule classique qui ne pourrait en traverser qu'une seule. En mécanique quantique, cette propriété ondulatoire peut être décrite mathématiquement par une fonction à valeurs complexes , la fonction d'onde , généralement notée ψ ( la lettre grecque psi ). Le carré de la valeur absolue de cette fonction donne la probabilité d'observer une particule à proximité d'un point donné, appelée densité de probabilité .

Les électrons sont des particules identiques car leurs propriétés physiques intrinsèques les rendent indiscernables. En mécanique quantique, cela signifie qu'une paire d'électrons en interaction peut échanger sa position sans modification observable de l'état du système. La fonction d'onde des fermions, y compris les électrons, est antisymétrique : elle change de signe lors de l'échange de deux électrons, soit ψ(r₁, r₂ ) = _−ψ ( _r₂ , r₁ ) , où r₁ et r₂ _{correspondent} respectivement _au premier _et au _second électron. Puisque la valeur absolue reste inchangée, cela correspond à des probabilités égales. Les bosons , comme le photon, possèdent quant à eux des fonctions d'onde symétriques.

En cas d'antisymétrie, les solutions de l'équation d'onde pour les électrons en interaction impliquent une probabilité nulle que chaque paire occupe le même état quantique. C'est ce qui explique le principe d'exclusion de Pauli , qui interdit à deux électrons quelconques d'occuper le même état quantique. Ce principe explique de nombreuses propriétés des électrons. Par exemple, il explique que les groupes d'électrons liés occupent des orbitales différentes dans un atome, au lieu de se chevaucher sur une même orbitale.

Dans une représentation simplifiée, qui tend souvent à induire en erreur mais peut servir à illustrer certains aspects, chaque photon passe un certain temps sous la forme d'une combinaison d'un électron virtuel et de son antiparticule, le positron virtuel, qui s'annihilent rapidement peu après. La combinaison de la variation d'énergie nécessaire à la création de ces particules et de leur durée de vie est inférieure au seuil de détection exprimé par la relation d'incertitude de Heisenberg , ΔE · Δt ≥ ħ . En effet, l'énergie nécessaire à la création de ces particules virtuelles, ΔE , peut être « empruntée » au vide pendant une durée Δt , de sorte que leur produit ne dépasse pas la constante de Planck réduite , ħ ≈6,6 × 10⁻¹⁶ ^eV ·s . Ainsi, pour un électron virtuel, Δt vaut au plus1,3 × 10 ⁻²¹ s .

Lorsqu'une paire virtuelle électron-positron existe, la force de Coulomb exercée par le champ électrique ambiant autour d'un électron provoque l'attraction du positron créé vers l'électron initial, tandis que ce dernier subit une répulsion. Ce phénomène est appelé polarisation du vide . De fait, le vide se comporte comme un milieu dont la permittivité diélectrique est supérieure à l'unité . Ainsi, la charge effective d'un électron est inférieure à sa valeur réelle et diminue avec la distance. Cette polarisation a été confirmée expérimentalement en 1997 à l'aide de l'accélérateur de particules japonais TRISTAN . Les particules virtuelles induisent un effet d'écran comparable pour la masse de l'électron.

L'interaction avec les particules virtuelles explique également le faible écart (environ 0,1 %) entre le moment magnétique intrinsèque de l'électron et le magnéton de Bohr (le moment magnétique anormal ). L'extraordinaire précision de la concordance entre cette différence prédite et la valeur déterminée expérimentalement est considérée comme l'une des grandes réussites de l'électrodynamique quantique .

Le paradoxe apparent, en physique classique, d'un électron ponctuel possédant un moment angulaire et un moment magnétique intrinsèques peut s'expliquer par la formation de photons virtuels dans le champ électrique qu'il génère. Ces photons peuvent être considérés, de manière heuristique, comme induisant un mouvement de précession (ou zitterbewegung ) de l'électron, entraînant un mouvement circulaire net . Ce mouvement est à l'origine du spin et du moment magnétique de l'électron. Dans les atomes, cette création de photons virtuels explique le décalage de Lamb observé dans les raies spectrales . La longueur d'onde de Compton montre qu'au voisinage des particules élémentaires, comme l'électron, l'incertitude sur l'énergie permet la création de particules virtuelles. Cette longueur d'onde explique l'« effet statique » des particules virtuelles autour des particules élémentaires à proximité.

Un électron génère un champ électrique qui exerce une force attractive sur une particule chargée positivement, comme le proton, et une force répulsive sur une particule chargée négativement. L'intensité de cette force, dans l'approximation non relativiste, est déterminée par la loi de Coulomb en carré inverse Lorsqu'un électron est en mouvement, il génère un champ magnétique La loi d'Ampère-Maxwell relie le champ magnétique au mouvement induit des électrons (le courant ) par rapport à un observateur. Cette propriété d'induction est à l'origine du champ magnétique qui actionne un moteur électrique . Le champ électromagnétique d'une particule chargée en mouvement quelconque est décrit par les potentiels de Liénard-Wiechert , qui restent valides même lorsque la vitesse de la particule est proche de celle de la lumière ( état relativiste )

Lorsqu'un électron se déplace dans un champ magnétique, il est soumis à la force de Lorentz , qui agit perpendiculairement au plan défini par le champ magnétique et la vitesse de l'électron. Cette force centripète contraint l'électron à suivre une trajectoire hélicoïdale dans le champ, à un rayon appelé rayon de giration . L'accélération due à ce mouvement courbe induit l'émission d'énergie par l'électron sous forme de rayonnement synchrotron. L'émission d'énergie provoque à son tour un recul de l'électron, connu sous le nom de force d'Abraham-Lorentz-Dirac , qui crée une friction ralentissant l'électron. Cette force résulte d'une rétroaction du champ magnétique de l'électron sur lui-même.

Les photons sont les médiateurs des interactions électromagnétiques entre particules en électrodynamique quantique . Un électron isolé, se déplaçant à vitesse constante, ne peut ni émettre ni absorber de photon réel ; cela violerait la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement . En revanche, les photons virtuels permettent le transfert de quantité de mouvement entre deux particules chargées. Cet échange de photons virtuels est à l’origine, par exemple, de la force de Coulomb. Une émission d’énergie peut se produire lorsqu’un électron en mouvement est dévié par une particule chargée, telle qu’un proton. Le ralentissement de l’électron entraîne l’émission d’ un rayonnement de freinage (Bremsstrahlung ).

Une collision inélastique entre un photon (lumière) et un électron isolé (libre) est appelée diffusion Compton . Cette collision entraîne un transfert d'impulsion et d'énergie entre les particules, ce qui modifie la longueur d'onde du photon d'une valeur appelée décalage Compton . L'amplitude maximale de ce décalage de longueur d'onde est h / m _e c , appelée longueur d'onde Compton . Pour un électron, elle vaut2,43 × 10⁻¹² m . Lorsque la longueur d'onde de la lumière est grande (par exemple, la longueur d'onde de la lumière visible est de 0,4 à 0,7 μm) ^, le décalage de longueur d'onde devient négligeable. Une telle interaction entre la lumière et les électrons libres est appelée diffusion Thomson ou diffusion Thomson linéaire.

L'intensité relative de l'interaction électromagnétique entre deux particules chargées, comme un électron et un proton, est donnée par la constante de structure fine . Cette valeur est une grandeur sans dimension, formée par le rapport de deux énergies : l'énergie électrostatique d'attraction (ou de répulsion) à une distance d'une longueur d'onde de Compton, et l'énergie de masse au repos de la charge. Elle est donnée par α ≈ 0,007 297 353 , qui est approximativement égal à ⁠1/137⁠ .

Lors de la collision d'électrons et de positrons, ces derniers s'annihilent , produisant deux ou plusieurs photons gamma. Si l'électron et le positron ont une quantité de mouvement négligeable, un atome de positronium peut se former avant l'annihilation, ce qui donne lieu à deux ou trois photons gamma dont l'énergie totale est de 1,022 MeV. Par ailleurs, un photon de haute énergie peut se transformer en un électron et un positron par un processus appelé production de paires , mais uniquement en présence d'une particule chargée proche, comme un noyau.

Dans la théorie de l'interaction électrofaible , la composante gauche de la fonction d'onde de l'électron forme un doublet d'isospin faible avec le neutrino électronique . Cela signifie que lors des interactions faibles , les neutrinos électroniques se comportent comme des électrons. Chaque membre de ce doublet peut subir une interaction de courant chargé en émettant ou en absorbant un boson W et se convertir en l'autre membre. La charge est conservée lors de cette réaction car le boson W porte également une charge, annulant ainsi toute variation nette lors de la transmutation. Les interactions de courant chargé sont responsables du phénomène de désintégration bêta dans un atome radioactif . L'électron et le neutrino électronique peuvent tous deux subir une interaction de courant neutre via un boson Z.⁰échange, et ceci est responsable de la diffusion élastique neutrino-électron .

Un électron peut être lié au noyau d'un atome par la force d'attraction de Coulomb. Un système d'un ou plusieurs électrons liés à un noyau est appelé atome. Si le nombre d'électrons est différent de la charge électrique du noyau, cet atome est appelé ion . Le comportement ondulatoire d'un électron lié est décrit par une fonction appelée orbitale atomique . Chaque orbitale possède son propre ensemble de nombres quantiques, tels que l'énergie, le moment angulaire et la projection du moment angulaire. Seul un ensemble discret de ces orbitales existe autour du noyau. Selon le principe d'exclusion de Pauli, chaque orbitale peut être occupée par un maximum de deux électrons, qui doivent différer par leur nombre quantique de spin .

Les électrons peuvent passer d'une orbitale à une autre par émission ou absorption de photons dont l'énergie correspond à la différence de potentiel entre les orbitales. D'autres méthodes de transfert orbital incluent les collisions avec des particules, telles que des électrons, et l' effet Auger . Pour s'échapper de l'atome, l'énergie de l'électron doit dépasser son énergie de liaison à l'atome. C'est le cas, par exemple, de l' effet photoélectrique , où un photon incident d'énergie supérieure à l'énergie d'ionisation de l'atome est absorbé par l'électron.

Le moment cinétique orbital des électrons est quantifié . L'électron étant chargé, il produit un moment magnétique orbital proportionnel à son moment cinétique. Le moment magnétique résultant d'un atome est égal à la somme vectorielle des moments magnétiques orbitaux et de spin de tous les électrons et du noyau. Le moment magnétique du noyau est négligeable devant celui des électrons. Les moments magnétiques des électrons occupant la même orbitale, appelés électrons appariés, s'annulent mutuellement.

La liaison chimique entre les atomes résulte d'interactions électromagnétiques, décrites par les lois de la mécanique quantique. Les liaisons les plus fortes sont formées par le partage ou le transfert d'électrons entre atomes, permettant ainsi la formation de molécules . Au sein d'une molécule, les électrons se déplacent sous l'influence de plusieurs noyaux et occupent des orbitales moléculaires , de la même manière qu'ils peuvent occuper des orbitales atomiques dans les atomes isolés. Un facteur fondamental de ces structures moléculaires est l'existence de paires d'électrons . Ces électrons, de spins opposés, peuvent occuper la même orbitale moléculaire sans enfreindre le principe d'exclusion de Pauli (comme dans les atomes). Différentes orbitales moléculaires présentent différentes distributions spatiales de la densité électronique. Par exemple, les électrons ont une probabilité maximale de se trouver dans un volume relativement restreint entre les noyaux lorsqu'ils sont liés par des paires (les paires qui lient effectivement les atomes entre eux). En revanche, dans les paires non liées, les électrons sont répartis dans un grand volume autour des noyaux.

Un objet possède une charge électrique nette si la charge négative totale apportée par les électrons est différente de la charge positive apportée par les noyaux. En cas d'excès d'électrons, l'objet est dit négativement chargé. En cas de déficit d'électrons, l'objet est dit positivement chargé. Lorsque le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, leurs charges s'annulent et l'objet est dit électriquement neutre. Un corps macroscopique peut acquérir une charge électrique par frottement, par effet triboélectrique .

Les électrons indépendants se déplaçant dans le vide sont appelés électrons libres . Dans les métaux, les électrons se comportent également comme s'ils étaient libres. En réalité, les particules communément appelées électrons dans les métaux et autres solides sont des quasi-électrons – des quasi-particules – qui possèdent la même charge électrique, le même spin et le même moment magnétique que les électrons réels, mais peuvent avoir une masse différente. Lorsque des électrons libres – aussi bien dans le vide que dans les métaux – se déplacent, ils produisent un flux net de charges appelé courant électrique , qui génère un champ magnétique. De même, un courant peut être créé par un champ magnétique variable. Ces interactions sont décrites mathématiquement par les équations de Maxwell .

À une température donnée, chaque matériau possède une conductivité électrique qui détermine l'intensité du courant électrique lorsqu'un potentiel électrique lui est appliqué. Les métaux comme le cuivre et l'or sont de bons conducteurs, tandis que le verre et le téflon sont de mauvais conducteurs. Dans tout matériau diélectrique , les électrons restent liés à leurs atomes respectifs et le matériau se comporte comme un isolant . La plupart des semi-conducteurs présentent une conductivité variable, intermédiaire entre la conduction et l'isolation. En revanche, les métaux possèdent une structure de bandes électroniques partiellement remplies. La présence de ces bandes permet aux électrons des métaux de se comporter comme des électrons libres ou délocalisés . Ces électrons ne sont pas associés à des atomes spécifiques ; ainsi, lorsqu'un champ électrique est appliqué, ils peuvent se déplacer librement dans le matériau, à la manière d'un gaz (appelé gaz de Fermi ) , comme des électrons libres.

En raison des collisions entre électrons et atomes, la vitesse de dérive des électrons dans un conducteur est de l'ordre du millimètre par seconde. Cependant, la vitesse à laquelle une variation de courant en un point du matériau entraîne des variations de courant dans d'autres parties du matériau, appelée vitesse de propagation , est typiquement d'environ 75 % de la vitesse de la lumière. Ceci s'explique par le fait que les signaux électriques se propagent sous forme d'ondes, leur vitesse dépendant de la constante diélectrique du matériau.

Les métaux sont de relativement bons conducteurs de chaleur, principalement parce que les électrons délocalisés peuvent transporter librement l'énergie thermique entre les atomes. Cependant, contrairement à la conductivité électrique, la conductivité thermique d'un métal est quasiment indépendante de la température. Ceci est exprimé mathématiquement par la loi de Wiedemann-Franz , qui stipule que le rapport de la conductivité thermique à la conductivité électrique est proportionnel à la température. Le désordre thermique dans le réseau métallique augmente la résistivité électrique du matériau, induisant une dépendance du courant électrique à la température

Lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température appelée température critique , les matériaux peuvent subir une transition de phase au cours de laquelle ils perdent toute résistivité au courant électrique, un processus connu sous le nom de supraconductivité . Dans la théorie BCS , le mouvement de paires d'électrons, appelées paires de Cooper, est couplé à la matière environnante par des vibrations du réseau cristallin appelées phonons , évitant ainsi les collisions avec les atomes qui créent normalement une résistance électrique. (Les paires de Cooper ont un rayon d'environ 100 nm, ce qui leur permet de se chevaucher.) Cependant, le mécanisme de fonctionnement des supraconducteurs à haute température reste incertain.

Les électrons à l'intérieur des solides conducteurs, qui sont eux-mêmes des quasi-particules, lorsqu'ils sont confinés à des températures proches du zéro absolu , se comportent comme s'ils s'étaient divisés en trois autres quasi-particules : les spinons , les orbitons et les holons . Les premiers portent le spin et le moment magnétique, les suivants portent leur position orbitale tandis que les derniers portent la charge électrique.

Selon la théorie de la relativité restreinte d'Einstein , lorsque la vitesse d'un électron approche celle de la lumière , sa masse relativiste augmente du point de vue de l'observateur , rendant ainsi son accélération de plus en plus difficile par rapport au référentiel de l'observateur. La vitesse d'un électron peut approcher, sans jamais l'atteindre, la vitesse de la lumière dans le vide, c . Cependant, lorsque des électrons relativistes — c'est-à-dire des électrons se déplaçant à une vitesse proche de c — sont injectés dans un milieu diélectrique tel que l'eau, où la vitesse locale de la lumière est nettement inférieure à c , les électrons se déplacent temporairement plus vite que la lumière dans ce milieu. En interagissant avec le milieu, ils génèrent une faible lumière appelée rayonnement Tcherenkov .

Les effets de la relativité restreinte reposent sur une grandeur appelée facteur de Lorentz , défini comme suit : , où v est la vitesse de la particule. L’énergie cinétique K _{_e} d’un électron se déplaçant à la vitesse v est :

où m _{_e} est la masse de l'électron. Par exemple, l' accélérateur linéaire de Stanford peut accélérer un électron à environ 51 GeV. Puisqu'un électron se comporte comme une onde, à une vitesse donnée, il possède une longueur d'onde de de Broglie caractéristique . Celle-ci est donnée par λ _{_e} = h / p , où h est la constante de Planck et p l'impulsion. Pour l'électron de 51 GeV mentionné ci-dessus, la longueur d'onde est d'environ2,4 × 10 ⁻¹⁷ m , suffisamment petit pour explorer des structures bien en dessous de la taille d'un noyau atomique.

La théorie du Big Bang est la théorie scientifique la plus largement acceptée pour expliquer les premiers stades de l'évolution de l'Univers. Durant la première milliseconde du Big Bang, les températures dépassaient 10 milliards de kelvins et les photons possédaient une énergie moyenne supérieure à un million d'électronvolts . Ces photons étaient suffisamment énergétiques pour réagir entre eux et former des paires d'électrons et de positrons. De même, les paires électron-positron s'annihilaient et émettaient des photons énergétiques.

γ + γ ↔ e⁺+ e⁻

Durant cette phase de l'évolution de l'Univers, un équilibre entre électrons, positrons et photons a été maintenu. Cependant, après 15 secondes, la température de l'Univers est descendue en dessous du seuil de formation des paires électron-positron. La plupart des électrons et positrons survivants se sont annihilés, libérant un rayonnement gamma qui a brièvement réchauffé l'Univers.

Pour des raisons encore incertaines, lors du processus d'annihilation, il y a eu un excès de particules par rapport aux antiparticules. Ainsi, environ un électron pour chaque milliard de paires électron-positron a survécu. Cet excès correspondait à l'excès de protons par rapport aux antiprotons, une condition appelée asymétrie baryonique , ce qui a abouti à une charge nette nulle pour l'univers. Les protons et les neutrons survivants ont commencé à réagir entre eux – dans le processus appelé nucléosynthèse – formant des isotopes d'hydrogène et d'hélium , avec des traces de lithium . Ce processus a atteint son apogée après environ cinq minutes. Les neutrons restants ont subi une désintégration bêta négative avec une demi-vie d'environ mille secondes, libérant un proton et un électron au cours de ce processus.

n → p + e⁻+ ν_e

Pour environ la suite300 000 –Pendant 400 000 ans , les électrons en excès sont restés trop énergétiques pour se lier aux noyaux atomiques . S’en est suivie une période appelée recombinaison , durant laquelle des atomes neutres se sont formés et l’univers en expansion est devenu transparent au rayonnement.

Environ un million d'années après le Big Bang, la première génération d' étoiles a commencé à se former. Au sein d'une étoile, la nucléosynthèse stellaire produit des positrons par fusion de noyaux atomiques. Ces particules d'antimatière s'annihilent immédiatement avec des électrons, libérant des rayons gamma. Il en résulte une diminution progressive du nombre d'électrons et une augmentation correspondante du nombre de neutrons. Cependant, l' évolution stellaire peut également conduire à la synthèse d'isotopes radioactifs. Certains isotopes peuvent ensuite subir une désintégration bêta négative, émettant un électron et un antineutrino depuis leur noyau. L'isotope cobalt-60 ( ^⁶⁰Co ) en est un exemple : il se désintègre pour former du nickel-60 (⁶⁰Co ).⁶⁰Ni ).

À la fin de sa vie, une étoile d'une masse supérieure à environ 20 masses solaires peut s'effondrer sous l'effet de la gravité et former un trou noir . Selon la physique classique , ces objets stellaires massifs exercent une attraction gravitationnelle suffisamment forte pour empêcher toute substance, même le rayonnement électromagnétique , de s'échapper au-delà du rayon de Schwarzschild . Cependant, on pense que des effets quantiques pourraient permettre l'émission du rayonnement de Hawking à cette distance. On suppose que des électrons (et des positrons) sont créés à l' horizon des événements de ces restes stellaires .

Lorsqu'une paire de particules virtuelles (comme un électron et un positron) est créée à proximité de l'horizon des événements, leur positionnement spatial aléatoire peut faire en sorte que l'une d'elles apparaisse à l'extérieur ; ce processus est appelé effet tunnel . Le potentiel gravitationnel du trou noir peut alors fournir l'énergie nécessaire pour transformer cette particule virtuelle en une particule réelle, lui permettant de rayonner dans l'espace. En échange, l'autre particule de la paire reçoit une énergie négative, ce qui entraîne une perte nette de masse-énergie pour le trou noir. Le taux de rayonnement de Hawking augmente avec la diminution de la masse, provoquant finalement l'évaporation du trou noir jusqu'à son explosion.

Les rayons cosmiques sont des particules qui se déplacent dans l'espace avec des énergies élevées. Des événements énergétiques pouvant atteindre des niveaux de^Des énergies de 3,0 × 10²⁰ eV ont été enregistrées. Lorsque ces particules entrent en collision avec des nucléons dans l' atmosphère terrestre , une gerbe de particules est générée, incluant des pions . Plus de la moitié du rayonnement cosmique observé depuis la surface de la Terre est constituée de muons . Le muon est un lepton produit dans la haute atmosphère par la désintégration d'un pion.

π⁻→ μ⁻+ ν_μ

Un muon, à son tour, peut se désintégrer pour former un électron ou un positron.

μ⁻→ e⁻+ ν_e+ ν_μ

L’observation à distance des électrons nécessite la détection de leur énergie rayonnée. Par exemple, dans des environnements à haute énergie comme la couronne d’une étoile, les électrons libres forment un plasma qui rayonne de l’énergie par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung ). Le gaz d’électrons peut subir des oscillations de plasma , c’est-à-dire des ondes causées par des variations synchronisées de la densité électronique, et celles-ci produisent des émissions d’énergie détectables par des radiotélescopes .

La fréquence d'un photon est proportionnelle à son énergie. Lorsqu'un électron lié effectue une transition entre différents niveaux d'énergie d'un atome, il absorbe ou émet des photons à des fréquences caractéristiques. Par exemple, lorsqu'un atome est irradié par une source à large spectre, des raies sombres distinctes apparaissent dans le spectre du rayonnement transmis, là où la fréquence correspondante est absorbée par les électrons de l'atome. Chaque élément ou molécule présente un ensemble caractéristique de raies spectrales, comme la série spectrale de l'hydrogène . La détection de ces raies, par des mesures spectroscopiques de leur intensité et de leur largeur, permet de déterminer la composition et les propriétés physiques d'une substance.

En laboratoire, les interactions des électrons individuels peuvent être observées grâce à des détecteurs de particules , permettant la mesure de propriétés spécifiques telles que l'énergie, le spin et la charge. La mise au point des pièges de Paul et de Penning permet de confiner des particules chargées dans un espace restreint pendant de longues durées. Ceci rend possible la mesure précise des propriétés des particules. Par exemple, un piège de Penning a été utilisé pour confiner un seul électron pendant dix mois. Le moment magnétique de l'électron a été mesuré avec une précision de onze chiffres significatifs, ce qui, en 1980, représentait une précision supérieure à celle de toute autre constante physique.

Les premières images vidéo de la distribution d'énergie d'un électron ont été capturées par une équipe de l' Université de Lund en Suède, en février 2008. Les scientifiques ont utilisé des éclairs de lumière extrêmement courts, appelés impulsions attosecondes , qui ont permis d'observer pour la première fois le mouvement d'un électron.

La distribution des électrons dans les matériaux solides peut être visualisée par spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES). Cette technique exploite l'effet photoélectrique pour mesurer l' espace réciproque – une représentation mathématique des structures périodiques permettant de déduire la structure initiale. L'ARPES permet de déterminer la direction, la vitesse et la diffusion des électrons au sein du matériau.

Les faisceaux d'électrons sont utilisés en soudage . Ils permettent des densités d'énergie allant jusqu'à^{Cette technique de soudage, qui} produit 10⁷ W·cm⁻² ^sur un diamètre de focalisation étroit de 0,1 à 1,3 mm , ne nécessite généralement pas de matériau d'apport. Elle doit être mise en œuvre sous vide afin d'éviter toute interaction des électrons avec le gaz avant qu'ils n'atteignent leur cible et permet d'assembler des matériaux conducteurs qui seraient autrement considérés comme inadaptés au soudage.

La lithographie par faisceau d'électrons (EBL) est une méthode de gravure de semi-conducteurs à des résolutions inférieures au micromètre . Cette technique est limitée par son coût élevé, sa faible vitesse, la nécessité d'opérer sous vide et la tendance des électrons à se diffuser dans les solides. Ce dernier problème limite la résolution à environ 10 nm. C'est pourquoi l'EBL est principalement utilisée pour la production de petites séries de circuits intégrés spécialisés .

Le traitement par faisceau d'électrons est utilisé pour irradier des matériaux afin de modifier leurs propriétés physiques ou de stériliser des produits médicaux et alimentaires. Les faisceaux d'électrons fluidifient ou quasi-fondent les verres sans augmentation significative de température sous irradiation intense : par exemple, un rayonnement électronique intense provoque une diminution de plusieurs ordres de grandeur de la viscosité et une diminution progressive de son énergie d'activation.

Les accélérateurs linéaires de particules génèrent des faisceaux d'électrons pour le traitement des tumeurs superficielles en radiothérapie . L'électronthérapie permet de traiter des lésions cutanées telles que les carcinomes basocellulaires, car un faisceau d'électrons ne pénètre qu'à une profondeur limitée avant d'être absorbé, généralement jusqu'à 5 cm pour des énergies électroniques comprises entre 5 et 20 MeV. Un faisceau d'électrons peut être utilisé en complément du traitement des zones irradiées par rayons X.

Les accélérateurs de particules utilisent des champs électriques pour propulser les électrons et leurs antiparticules à de hautes énergies. Ces particules émettent un rayonnement synchrotron lorsqu'elles traversent des champs magnétiques. La dépendance de l'intensité de ce rayonnement au spin polarise le faisceau d'électrons – un processus connu sous le nom d' effet Sokolov-Ternov . Les faisceaux d'électrons polarisés peuvent être utiles pour diverses expériences. Le rayonnement synchrotron peut également refroidir les faisceaux d'électrons afin de réduire la dispersion de leur impulsion. Les faisceaux d'électrons et de positrons entrent en collision lorsque les particules atteignent les énergies requises ; les détecteurs de particules observent les émissions d'énergie qui en résultent, lesquelles sont étudiées par la physique des particules .

La diffraction d'électrons de basse énergie (LEED) est une méthode qui consiste à bombarder un matériau cristallin avec un faisceau d'électrons collimaté, puis à observer les figures de diffraction obtenues afin de déterminer la structure du matériau. L'énergie requise des électrons se situe généralement dans la gamme [insérer la gamme].20–200 eV . La technique de diffraction d'électrons de haute énergie par réflexion (RHEED) utilise la réflexion d'un faisceau d'électrons tirés sous différents angles faibles pour caractériser la surface des matériaux cristallins. L'énergie du faisceau se situe généralement dans la gamme8–20 keV et l'angle d'incidence est1°–4° .

Le microscope électronique dirige un faisceau d'électrons focalisé sur un échantillon. Certains électrons modifient leurs propriétés, telles que leur direction, leur angle de déplacement, leur phase relative et leur énergie, lors de l'interaction du faisceau avec le matériau. Les microscopistes peuvent enregistrer ces modifications du faisceau d'électrons afin de produire des images du matériau à résolution atomique. En lumière bleue, les microscopes optiques conventionnels ont une résolution limitée par la diffraction d'environ 200 nm. En comparaison, les microscopes électroniques sont limités par la longueur d'onde de de Broglie de l'électron. Cette longueur d'onde est, par exemple, égale à 0,0037 nm pour des électrons accélérés à travers un faisceau d'électrons. Un potentiel de 100 000 V. Le microscope électronique à transmission corrigé des aberrations (META) offre une résolution inférieure à 0,05 nm, largement suffisante pour distinguer les atomes individuels. Cette capacité fait du microscope électronique un instrument de laboratoire précieux pour l’imagerie à haute résolution. Cependant, les microscopes électroniques sont des instruments coûteux, dont l’entretien est onéreux.

Il existe deux principaux types de microscopes électroniques : à transmission et à balayage . Les microscopes électroniques à transmission fonctionnent comme des rétroprojecteurs : un faisceau d’électrons traverse une tranche de matériau puis est projeté par des lentilles sur une lame photographique ou un dispositif à transfert de charges (CCD) . Les microscopes électroniques à balayage utilisent un faisceau d’électrons finement focalisé, comme dans un téléviseur, pour balayer l’échantillon étudié et produire l’image. Les grossissements varient de 100× à 1 000 000×, voire plus, pour les deux types de microscopes. Le microscope à effet tunnel exploite l’effet tunnel quantique des électrons émis par une pointe métallique acérée et pénétrant dans le matériau étudié. Il permet ainsi d’obtenir des images de sa surface à résolution atomique.

Dans un laser à électrons libres (FEL), un faisceau d'électrons relativistes traverse une paire d' onduleurs contenant des réseaux d' aimants dipolaires dont les champs magnétiques sont orientés alternativement. Les électrons émettent un rayonnement synchrotron qui interagit de manière cohérente avec d'autres électrons de même énergie, amplifiant fortement le champ de rayonnement à la fréquence de résonance . Un FEL peut émettre un rayonnement électromagnétique cohérent de haute brillance sur une large gamme de fréquences, des micro-ondes aux rayons X mous. Ces dispositifs sont utilisés dans la production industrielle, les communications et le domaine médical, notamment en chirurgie des tissus mous.

Les électrons jouent un rôle essentiel dans les tubes cathodiques , largement utilisés comme dispositifs d'affichage dans les instruments de laboratoire, les écrans d'ordinateur et les téléviseurs . Dans un tube photomultiplicateur , chaque photon frappant la photocathode déclenche une avalanche d'électrons qui produit une impulsion de courant détectable. Les tubes à vide utilisent le flux d'électrons pour manipuler les signaux électriques et ont joué un rôle crucial dans le développement de l'électronique. Cependant, ils ont été largement remplacés par des dispositifs à semi-conducteurs tels que le transistor .