PARTICULES ÉLÉMENTAIRES Fermions

Un fermion (ainsi nommé d'après Enrico Fermi, physicien italien qui a élaboré la théorie du comportement collectif de telles particules) est une particule, élémentaire ou composite, de moment angulaire intrinsèque (ou spin) multiple impair de h/4đ, où h est la constante de Planck. Les ensembles de telles particules obéissent à la loi statistique de Fermi-Dirac qui dispose que la probabilité d'occupation d'un état d'énergie E à température T est inversement proportionnelle au facteur exp (E/kT) + 1, où k est la constante de Boltzmann. Les fermions obéissent à la règle d'exclusion de Pauli selon laquelle un état donné ne peut être occupé par plus d'une particule. Cette règle appliquée aux électrons d'un atome explique la classification périodique des éléments. Les électrons, les quarks et les neutrinos sont des fermions élémentaires, ce sont eux dont nous traiterons ici. Les protons, les neutrons et les noyaux atomiques de nombre atomique impair sont des fermions composés (cf. les articles correspondants).

Électron

L' électron est une particule élémentaire stable. Il possède une charge électrique négative, une très petite masse (près de 2 000 fois plus petite que celle de l'atome le plus léger : l'hydrogène), et un moment angulaire propre appelé spin, auquel est lié un moment magnétique intrinsèque. L'électron est soumis à la gravitation, ainsi qu'à la force électrofaible. En fait, c'est la partie proprement électromagnétique de cette dernière qui fait que cette particule est indispensable en chimie, en électricité, en électronique et dans la grande majorité des processus qui se trouvent à la base des techniques industrielles. En revanche, il n'est pas sensible à l'interaction nucléaire forte, ou chromodynamique, qui est notamment responsable de la cohésion des noyaux des atomes.

Cercle d'atomes de fer
Courtesy IBM Research, Almaden Research Center

L'électron ne peut être correctement décrit que dans le cadre quantique, où, malgré ses propriétés variées, on le représente par une entité ponctuelle, sans dimension. C'est en ce sens qu'il reste, depuis sa découverte il y a près d'un siècle, une particule élémentaire, stable, constituant fondamental de la matière qui ne peut être brisé, et dont aucune propriété ne nécessite l'hypothèse d'une sous-structure.

L'antiparticule de l'électron est le positron, ou électron positif, qui lui est en tout point semblable, excepté pour le signe de la charge électrique. De même, l'interaction électrofaible agit différemment sur l'électron selon que son moment angulaire propre est aligné dans le sens de l'impulsion ou dans le sens opposé : on parle alors respectivement d'électron droit ou gauche.

Électron : propriétés
Encyclopædia Universalis France

L'électron, du fait de ses propriétés (cf. tableau) très variées, s'est ainsi souvent trouvé à la base de nombreuses avancées dans la compréhension de la matière. C'est pourquoi une approche historique de l'établissement de ces caractéristiques est importante pour comprendre la nature profonde du concept de l'électron.

Découverte de l'électron

Joseph Thomson
Keystone/ Hulton Archive/ Getty Images

L'électron a été la première particule élémentaire mise en évidence et son acceptation par la communauté scientifique a duré près d'un siècle, depuis la caractérisation des lois de l'électrolyse par Faraday en 1833 jusqu'à la reconnaissance de l'électron vers 1920. Mais la détermination de la masse et de la charge du corpuscule par Joseph John Thomson en 1897 marque la date de la découverte de l'électron. En étudiant la décomposition de solutions par le courant électrique, Faraday avait établi que, pour une même quantité d'électricité, le poids de matière déposée par les ions varie dans des rapports semblables à ceux qui interviennent dans les réactions chimiques et, plus précisément, que tous les atomes-grammes d'ions monovalents portent la même[...]

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Écrit par

Jean-Eudes AUGUSTIN : directeur de recherche au C.N.R.S.
Michel PATY : directeur de recherche émérite au CNRS
Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer cet article

Jean-Eudes AUGUSTIN, Michel PATY, Bernard PIRE, « PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Fermions », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL :

« PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Fermions ». Dans Encyclopædia Universalis [en ligne]. Consulté le sur

Encyclopædia Universalis, s.v. « PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Fermions », Consulté le ,

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Autres références

ANDERSON CARL DAVID (1905-1991)
- Écrit par Bernard PIRE
- 554 mots
Le physicien américain Carl David Anderson est né à New York de parents suédois le 3 septembre 1905. Après des études au California Institute of Technology de Pasadena, il y fait toute sa carrière, jusqu'à sa retraite en 1978. Dans sa thèse de doctorat soutenue en 1930, sous la direction de Robert...
ANTIMATIÈRE
- Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
- 6 931 mots
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Les résultats établis historiquement d'abord pour l'électron sont en fait plus généraux.Chaque particule possède une antiparticule qui lui est associée. Elles ont les mêmes caractéristiques mécaniques, c'est-à-dire même masse et même moment cinétique intrinsèque, ou spin. Mais une particule et...
ASPECT ALAIN (1947- )
- Écrit par Bernard PIRE
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Il choisit un sujet extrêmement risqué : éprouver les fondements de la mécanique quantique et éclairer le débat épistémologique entre Albert Einstein et Niels Bohr en étudiant le phénomène dit d’intrication d’une paire de particules.
ASTROPARTICULES
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