Fermions E-Book

Encyclopaedia Universalis

• Herausgeber: Encyclopaedia Universalis
• Kategorie: Bildung
• Sprache: Französisch

Seitenzahl: 76

Veröffentlichungsjahr: 2016

Beschreibung

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...

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ISBN : 9782341004411

© Encyclopædia Universalis France, 2016. Tous droits réservés.

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Fermions

Introduction

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).

Bernard PIRE

1. 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.

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 : à comparer avec la stabilité de l'électron, qui est de 4 × 1026 ans.

• 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.

Au cours du XIXe 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, calcula une valeur de cette charge élémentaire en 1874, et il la baptisa « électron » en 1891, reprenant ainsi le nom grec de l’ambre gris dont les propriétés avaient été à l’origine de la découverte de l’électricité.

L’électron n’était alors qu’une charge élémentaire transportée par les ions. C’est au cours de l’étude des propriétés électriques des gaz sous très faible pression que la particule allait apparaître : lorsqu’on applique une forte tension entre deux électrodes dans un tube contenant un gaz suffisamment raréfié, on obtient des rayons émis par l’électrode négative, ou cathode, qui se propagent en ligne droite, et qu’on peut observer grâce aux vives luminescences produites sur certaines parties de la paroi de verre du tube. En 1895, Jean Perrin réussit à démontrer que ces rayons transportent des charges négatives. En 1897, J. J. Thomson, en appliquant des champs électriques et magnétiques, put mesurer le rapport e/m de la charge à la masse des composants de ces rayons, et le trouva près de 2 000 fois plus grand que pour les ions hydrogène. Compte tenu de la constance de cette valeur pour toutes sortes de matériaux et de gaz, il fut amené à postuler l’existence de « corpuscules cathodiques », beaucoup plus légers que les atomes, dont ils devaient être un composant universel : il s’agissait d’une nouvelle forme de matière, que nous appelons maintenant un électron.

Le même concept devait apparaître simultanément dans une autre branche de la physique : l’étude des raies lumineuses émises par les atomes. Après les tentatives infructueuses de plusieurs chercheurs, le Néerlandais Pieter Zeeman, en 1896, réussit à observer un effet du champ magnétique sur les raies jaunes du sodium : elles étaient élargies, et de manière différente selon que la direction d’observation était parallèle ou perpendiculaire à celle du champ magnétique. Aussitôt, le physicien néerlandais Hendrik Antoon Lorentz réussit à expliquer le phénomène en supposant l’existence dans l’atome d’un ion oscillant à la fréquence d’émission du rayonnement. Avec ce modèle, Zeeman trouva que le rapport e/m nécessaire pour reproduire les expériences était de plus de 1 000 fois celui de l’ion hydrogène. Ce n’est qu’après l’interprétation corpusculaire de Thomson que l’« ion » oscillant put être assimilé à la particule des rayons cathodiques. Par la suite, des études plus précises de Zeeman sur la polarisation de la lumière des raies dédoublées montra que la particule source du rayonnement dans l’atome avait une charge négative.

De nombreuses données vinrent ensuite confirmer ces résultats. Dès 1899, Thomson avait établi que les particules émises par les rayons ultraviolets dans l’effet photoélectrique ont le même rapport e/m que celles des rayons cathodiques. Il avait surtout obtenu une première mesure directe de la charge électrique individuelle, au moyen des gouttes de condensation dans une vapeur sursaturée, selon un procédé inventé par Charles Thomson Rees Wilson. Cela fut confirmé plus tard par les mesures très précises de la charge de l’électron réalisées par Robert Andrews Millikan en 1909 : des gouttelettes d’huile chargées électriquement tombent par gravité entre les plaques d’un condensateur, et l’on équilibre le poids par l’attraction électrique. Toutes les charges sont multiples d’une valeur commune unique, e.

Auparavant, une confirmation indirecte, qui montre bien les liens entre les divers domaines de la physique, avait été fournie par Max Planck en 1901 : à partir de sa loi sur le rayonnement des corps chauds, il put établir tout d’abord une valeur précise de la constante de Boltzmann k, puis, à partir de la constante des gaz R = Nk, celle du nombre d’Avogadro N, et enfin, avec le faraday F = Ne, celle de la charge élémentaire qu’il trouva en bon accord avec les résultats de Thomson. Durant cette même époque, Pierre et Marie Curie démontrèrent que les rayons β de la radioactivité (qui avait été découverte par Henri Becquerel en 1896) étaient eux aussi formés de corpuscules chargés négativement pour lesquels Becquerel trouva une valeur de e/m similaire à celle des rayons cathodiques.

• L’électron classique

La mesure du rapport e/m du « corpuscule cathodique » ou de l’« ion oscillant », effectuée respectivement par J. J. Thomson et par P. Zeeman, est fondée sur l’une des lois de H. A. Lorentz mise au point lors de l’élaboration d’une interprétation de l’électromagnétisme de Maxwell (cf. ÉLECTRICITÉ - Histoire de l’électricité) au moyen de courants de particules chargées :

où F, appelée maintenant force de Lorentz, représente la force exercée par des champs électriques E et magnétiques B sur une particule de charge e et de vitesse →v.

La théorie de Lorentz