PARTICULES ÉLÉMENTAIRESFermions

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.

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.

Cercle d'atomes de fer

Cercle, dit «corral quantique», de 48 atomes de fer sur une surface de cuivre, vu au microscope à effet tunnel, à l'Almaden Research Center de San Jose (Californie). Ce cercle a un diamètre de 14,3 nanomètres (1 nanomètre = 10.9 mètre), soit environ vingt mille fois moins que le... 

Crédits : Courtesy IBM Research, Almaden Research Center

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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.

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.

Électron : propriétés

Propriétés caractéristiques de l'électron et leurs valeurs respectives, en l'état actuel des connaissances. Les deux chiffres entre parenthèses indiquent l'incertitude à un écart-type sur les deux derniers chiffres mesurés. Rappelons que l'âge de l'Univers est de 1 à 2 × 1010 ans :... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Découverte de l'électron

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 charge, appelée maintenant le faraday.

Joseph Thomson

Le Britannique Joseph Thomson (1856-1940), Prix Nobel de physique, en 1906, pour ses recherches sur la conduction de l'électricité par les gaz. 

Crédits : Keystone/ Hulton Archive/ Getty Images

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Au cours du xix^e siècle, la théorie atomique s'imposa progressivement. Elle suppose que chaque atome-gramme contient le même nombre d'atomes élémentaires, le nombre d'Avogadro N. Il s'ensuit que chaque ion porte une charge unique, identique quel que soit le composé monovalent particulier. Pour les tenants de cette théorie, cette charge élémentaire put être calculée vers 1870 lorsque Johann Loschmidt et d'autres fournirent une estimation du nombre N d'atomes par atome-gramme.

L'Irlandais George J. Stoney, lui-même auteur d'une évaluation de N, c [...]

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Cercle d'atomes de fer
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