Structure de l'atome/Électron

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Historique

Les hypothèses de Crookes et Perrin (fin XIX^e siècle)

Le rayonnement cathodique

Mise en évidence du rayonnement cathodique.

En appliquant une différence de potentiel électrique de 50 kV entre deux électrodes contenues dans un tube de verre renfermant un gaz sous très faible pression, on observe un rayonnement issu de la cathode (pôle négatif), responsable d'une faible lueur verdâtre due à la fluorescence de la paroi interne du verre.

Crookes assimila ce rayonnement à des particules chargées négativement en mouvement. Une de ses premières hypothèses fit appel à des chocs entre les anions et les molécules de la paroi, puis Shuster émit l'hypothèse d'une particule chargée négativement provenant de l'ionisation du gaz et commune à tous les corps. Ceci constituait la première approche de l'électron.

Le concept d'électricité négative

Il est dû à Jean-Baptiste Perrin qui recueillit en 1895 le rayonnement cathodique dans un cylindre de Faraday relié à un électroscope dont les feuilles divergeaient à la suite de l'apparition d'une charge électrique. Cette charge fut confirmée par la déviation du faisceau par des champs électriques et magnétiques. De plus chaque résultat est indépendant de la nature des électrodes ou du gaz : Les particules constituant le rayonnement cathodique doivent donc être présentes dans tous les corps.

Perrin suggéra également que les rayons dits « canaux » découverts par Goldstein sont constitués de charges positives. De l’ensemble des résultats, il en déduit en 1901 un modèle, dit planétaire de l'atome. Les électrons tournent autour d'une ou plusieurs charges positives à la manière de la Lune autour de la Terre. Ce modèle sera amélioré par Niels Bohr et Arnold Sommerfield. Il reçoit le prix Nobel en 1926. C’est également le fondateur du palais de la Découverte en 1937 et le premier directeur du CNRS en 1939.

Charge et masse de l'électron

Mesure du rapport charge/masse de l'électron.

Joseph John Thomson mesura en 1897 le rapport ${\frac {q}{m_{e}}}$, c'est-à-dire le rapport entre la charge électrique de l'électron et sa masse. Cette mesure est basée sur la déviation d'une particule soumise à des champs électriques et magnétiques. Il montra que ce rapport ne dépendait pas des conditions expérimentales et aboutit au résultat :

${\frac {q}{m_{e}}}=-1,7588\times 10^{11}\,\mathrm {C.kg} ^{-1}$

En 1902 Thomson fut à la base d'un modèle atomique, dans lequel la charge électrique positive était supposée répartie dans tout le volume de l'atome et les électrons inclus dans cette pâte ; ce modèle atomique reçut le nom de Plum Pudding. Il fut contredit par Rutherford en 1911.

Robert Andrews Millikan mesura quant à lui la charge élémentaire de l'électron en 1911. Son expérience consista à vaporiser des gouttelettes d'huile dans l'air entre les plaques d'un condensateur. Les gouttelettes se chargent par frottement lors de la pulvérisation. Un faisceau de rayons X peut également faire varier leur charge par ionisation des molécules d'air et fixation d'un ion sur une gouttelette. Il observa leur mouvement au moyen d'un microscope en présence et en l'absence d'un champ électrique.
En ajustant le champ électrique pour que les gouttes soient à l'équilibre, il en déduisit que :

• Les charges des gouttelettes ne peuvent varier que par des multiples d'une charge élémentaire notée $e$. On dit que la charge d'une gouttelette est quantifiée.
• Cette charge élémentaire est portée par une particule dite élémentaire : l'électron. Cette charge élémentaire négative vaut: $e=-1,6022\times 10^{-19}\,\mathrm {C}$ (Prix Nobel en 1923)
• Du résultat de Thomson, on en déduit $m_{e}=9,1095\times 10^{-31}\mathrm {kg}$

Propriété de l'électron

Définition de l'électron

L'électron porte une charge électrique fondamentale négative égale à -1,6 × 10^-19 coulomb. La masse d'un électron est d'environ 9,11 × 10^-31 kg (ce qui correspond à environ 1/1 800 de la masse d'un proton).

Propriété de l'électron

L'électron fait partie de la famille de particules appelées « leptons », et est de ce fait considéré, en l'état actuel des connaissances, comme étant une particule élémentaire (c'est-à-dire qu’il ne peut pas être brisé en de plus petites particules).

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Remarque :Par soucis de simplification, il est souvent dit que les électrons "gravitent" autour de l'atome. En réalité, il est impossible de prédire la position précise d'un électron à un instant donné, ceux-ci formant ce que l’on nomme le "nuage électronique". En revanche, il est possible de calculer une probabilité de présence.

Exercice

Faites ces exercices : l'électron et le noyau.