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Physique nucléaire

 

Débutants

Général

PARTICULES

 

Glossaire

Atome

 

 

INDEX

Particules

 

Introduction

Électrons

Nucléons

Nomenclature

Neutrinos

Quarks

Caractéristiques

Unification

Forces

Masse

 

Sommaire de cette page

>>> Électron - Caractéristiques

>>> Rotation

>>> Masse comparaison

>>> Couches électroniques

 

 

 

 

 

 

ÉLECTRONS

 

L'électron est la particule qui a donné son nom à l'électronique. Particule qui en se "baladant" matérialise l'électricité.

 

Les électrons sont les plus petites particules principales constituant la matière. Les deux autres sont le neutron et le proton, de loin beaucoup plus grosses (taille x 1836).

 

Un atome comporte autant d'électrons (négatifs) que de protons (positifs) de sorte que la charge électrique de l'atome est neutre. Les électrons sont plutôt des nuages qui enveloppent le noyau et non pas des planètes qui gravitent autour du noyau. Les électrons sont répartis en couches successives, ou niveaux d'énergie.

 

Le mot électron vient du grec elektron ambre jaune – résine fossile provenant de conifères connu pour sa production d'électricité statique lorsqu'on la frotte.

 

 

 

L'électron: la première des particules à avoir été mise en évidence. Découvert  en 1897 par Joseph John Thomson (1856-1940) qui en détermina la masse et la charge. Son dispositif expérimental ressemblait assez à un tube cathodique.

 

Au début, très peu de gens croyaient à l’existence de ces corps plus petits que les atomes. Un physicien distingué m’a même dit, après avoir écouté ma conférence à la Royal Institution, qu’il pensait que je m’étais payé leur tête.   – J.J. Thomson.

Voir Pensées & humour

 

 

 

 

ÉLECTRON - Caractéristiques

Caractéristique

Valeur

Numéro atomique, quantité d'électrons

12 6 C

Le carbone a 6 électrons, par exemple.

Stabilité

> 2 1022 années

> âge actuel de l'Univers

Diamètre de l'électron

 

Voir Commentaires

 

 

 10 -18 m = 1 attomètre

10-22 m plus sûrement

Dimension sans fondement en physique quantique (orbitale probable)

Le  rayon classique de l'électron (constante physique) = 2,8179×10-15 m.

Distance au noyau pour laquelle la probabilité de trouver un électron est maximale (cas de l'hydrogène). Soit: Rayon de l'atome d'hydrogène.

0,53 10 -10 m =  0,053 nm

Diamètre de l'orbite de l'électron

Diamètre d'un atome typique

10 -10 m = 0,1 nanomètre = 1 angström

Masse de l'électron

9,109 38 '97' 10-31 kg

  précision '54'

ou 510,99906 keV/c²

Masse proton / masse électron

1836,152 667 5 '39' jusqu'en 2014

1836,152 673 77         depuis 2014

Valeurs actualisées

Charge électrique de l'électron

e- = 1,602 177 '33' 10-19 coulombs

          incertitude '49'

Spin

1/2

= 5,788 382 63(52)10-5 eVT-1

Période de rotation

1,5 10 -16 s = 150 attosecondes

Vitesse de l'électron autour du noyau

 c / 100

Vitesse de déplacement des électrons

 0  Quelques millimètres par minute

Vitesse  de l'ordre de mise en mouvement des électrons

c = 300 000 km par seconde

Voir Unités de longueur / Noms des puissances de 10

 

Vitesse de rotation de l'électron

La vitesse d'un électron dépend de son degré d'excitation. Elle peut être proche de celle de la lumière en laboratoire. Pépère, sa vitesse peut descendre à environ 2 100 km /s. 

Rappel, Heisenberg a dit qu'il est impossible de connaître simultanément sa position et sa vitesse; il faut choisir!

Source: Natalie Angier – Petit Cours de Sciences – Dunod

 

 

ROTATION – Plusieurs points de vue

 

Typique

*      Période de rotation de l'électron autour du noyau:

1,5 10 -16 s = 150 attosecondes

 

*      Vitesse de rotation de l'électron autour du noyau:

1015 tours par seconde (en fait 0,66 1016)

 

Calcul de l'ordre de grandeur de la vitesse de l'électron autour du noyau:

Diamètre de l'atome (majorant): 10-10 m

Circonférence parcourue: D =  10-10 m

En une seconde:  10-10 x 0,66 1016  2,1 106 = 2 100 km/s

 

*      En une seconde, l'électron traverse deux fois la France.

*      Un moteur tournant à 6 000 tours par minute mettrait 2 millions d'années (1012 minutes) pour faire la quantité de tours que fait l'électron en une seconde.

 

Modèle planétaire de Bohr

 

*      L'électron ne tourne pas vraiment autour du noyau; c'est un nuage. Cependant en utilisant le modèle planétaires de Bohr, il est possible de calculer une vitesse de rotation pour l'atome d'hydrogène dans son état fondamental : v = h /(2mer) = 2,42 x 106 m/s = 2 420 km/s. Cette vitesse est faible par rapport à celle de la lumière (c /123 – certains disent 1/137) et l'effet relativiste est négligeable. (l'établissement de la formule donnant v dépasse le cadre de ce site).

*      Par contre, pur des atomes plus gros, la vitesse des électrons des couches internes croît très rapidement (typiquement c /100 = 30 000 km/s)  et l'effet relativiste se manifeste  sous la forme d'une certaine contraction de l'atome.

*      Même si ne reflétant pas la réalité, le modèle de Bohr permet malgré tout d'effectuer des calculs et de comprendre certains phénomènes.

 

 

Paquet d'ondes

*      Les électrons sont en fait des paquets d'ondes, dont les longueurs d'onde sont des multiples des longueurs des orbites. Leur mouvement de rotation est d'autant plus rapide qu'ils sont les plus proches du noyau car la force centrifuge due à la rotation doit équilibrer la force d'attraction entre les charges électriques, positives du noyau et négatives de l'électron.

 

Analogie pour imaginer l'espace essentiellement vide de l'atome

 

*      Une longue et fine lanière: faites-la tournoyer rapidement autour de vous tout ce qui s'approche, giflé par la lanière, est contraint de d'éloigner. Les électrons, malgré leur petite taille, restent maîtres de l'espace grâce à leur vitesse.

 

 

 

 

Masse – Comparaison

 

Électron

Noyau d'Hydrogène

0,9 10-30 kg

2 10-27 kg

Rapport 2 200

 

Noyau d'Uranium: 3,95.10-25 kg

 

Électron

Soleil

0,9 10-30 kg

1,9 1030 kg

Rapport 2 10 60

 

Valeur colossale à l'échelle de l'Univers.

Il y a environ 10 80 atomes dans L'univers,

 

 

 

 

 

COUCHES ÉLECTRONIQUES

 

                          2      8     18     32     32     18      8

                          K    L   M    N    O    P    Q

 

*      À la manière des planètes, les électrons tournent sur des orbites déterminées (ce sont plutôt des orbitales ou zones dans lesquelles l'électron est susceptible de se trouver).

Un atome comporte Z électrons, Z étant le numéro atomique.

 

*      Il y a 7 couches baptisées par une lettre.

*      Chaque couche admet un nombre maximum d'électron (sur K c'est 2; sur L c'est 8 …)

*      Formule en 2n² au départ.

*      La couche externe d'un atome ne dépasse jamais 8 électrons. Seuls les gaz rares ont ces huit électrons.

 

Règle de l'octet

La couche périphérique d'un atome (couche orbitale externe) est limitée à huit électrons. 

Voir Liaisons chimiques / Transition électronique

 

 

*      Chaque couche, sauf la première, est divisée en sous-couches

*      Les couches et sous-couches les plus éloignées du noyau correspondent à des énergies croissantes.

*      En fait, c'est un peu plus complexe, ça déraille pour les plus gros atomes.

*      Le principe d'exclusion de Pauli interdit à deux électrons d'avoir leurs nombres quantiques identiques. Par exemple: maximum 2 électrons de spin opposé sur une sous-couche.

 

 

 

Le laboratoire d'IBM à Zurich, avec un microscope à effet tunnel "boosté", a réussi à cartographier la densité d'électrons en chaque endroit des molécules observées. De quoi vérifier les calculs de la mécanique quantique. 

Actualités de Novembre 2011

 

 

 

Exemples pour quelques éléments

 

N° atomique

Symbole

K

L

M

N

O

P

Q

1

Hydrogène

1

 

 

 

 

 

 

2

Hélium

2

 

 

 

 

 

 

3

Lithium

2

1

 

 

 

 

 

4

Béryllium

2

2

 

 

 

 

 

5

Bore

2

3

 

 

 

 

 

6

Carbone

2

4

 

 

 

 

 

7

Azote

2

5

 

 

 

 

 

8

Oxygène

2

6

 

 

 

 

 

9

Fluor

2

7

 

 

 

 

 

10

Néon

2

8

 

 

 

 

 

11

Sodium

2

8

1

 

 

 

 

12

Magnésium

2

8

2

 

 

 

 

13

Aluminium

2

8

3

 

 

 

 

14

Silicium

2

8

4

 

 

 

 

…

 

 

 

 

 

 

 

 

18

Argon

2

8

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

78

Platine

2

8

18

32

16

2

 

79

Or

2

8

18

32

18

1

 

80

Mercure

2

8

18

32

18

2

 

…

 

 

 

 

 

 

 

 

103

Laurencium

2

8

18

32

32

9

2

 

*      Les gaz rares: Hélium, Néon, Argon… ont toutes leurs couches saturées. Ce sont des éléments très stables; peu enclins aux réactions chimiques.

 

Voir Éléments / Hydrogène et ses voisins

 

 

Électrons et photons

 

*      Les électrons les plus externes sont les plus énergétiques, mais ils sont les moins attirés par le noyau.

*      Ils sont capables d'absorber de l'énergie sous l'effet d'une excitation (décharge électrique, par exemple) et passent sur une trajectoire supérieure.

*      En revenant à leur trajectoire d'origine, ils restituent cette énergie en émettant un photon (grain de lumière); c'est, en fait, un rayonnement.

 

 

 

W: énergie rendue en joules.

 : fréquence des oscillations (du rayonnement) en hertz.

h : constante de Planck ou quantum d'action.

 

W = h.

 

Électricité statique

Un peigne passé dans les cheveux vous coiffe mais, en même temps, il attire les électrons présents à la surface de votre chevelure. Le peigne, bourré d'électrons, se charge négativement. Suffisamment pour attirer de petits morceaux de papier.

Le phénomène se déroule bizarrement en deux temps: les électrons à la surface du papier sont repoussés au fond du papier par ceux du peigne. La place étant libérée en surface du papier, les électrons du peigne s'y précipitent. Les électrons du peigne ont bel et bien chassé ceux de la surface du papier pour s'y mettre!

 

 

Commentaire sur la taille de l'électron

La taille de l'électron est un sujet qui alimente les forums. Qu'en est-il?

 

1) Le CNRS est clair en disant que son diamètre est considéré comme nul.

http://www.cnrs.fr/cnrs-images/physiqueaulycee/ielectro.html

 

2) La vision classique: un article Wikipedia en anglais fait le point sur le sujet: Classical electron radius en

https://en.wikipedia.org/wiki/Classical_electron_radius


L'article indique qu'il s'agit d'une "soft mathematical limit" et non d'une "bille" à coquille dure (hard surface).

 

3) Les diverses visions (en anglais) sont exprimées en: How big is an electron?

https://gravityandlevity.wordpress.com/2015/04/11/how-big-is-an-electron/

 

Alors, selon des sources, le diamètre varie de 10-15 à  10-35 m,

ou est-il sans taille particulière?

Merci à Benoît P. pour ses remarques

 

 

 

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*    Atoms - Trinity College

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