Cliquez ici pour devenir Membre Contributeur
Forum Boutique Mes Cours A propos Publications scientifiques Faire un Don Login

Un électron, c’est quoi ?

TEMPS DE LECTURE ESTIMÉ : 13 MINUTES
 
Par Dr Amira Val Baker, astrophysicienne, le 30/05/2019.
 

Nous savons tous ce qu’est un électron pas vrai ? Etonnamment, la réponse à cette question est non, personne ne sait vraiment ce que c’est.

Si vous demandez à un lycéen ce qu’est un électron, il vous répondra sûrement que c’est une particule subatomique à charge négative qui sert à transporter l’électricité. Cette réponse est correcte cependant elle ne révèle pas la vraie nature de la réalité de l’électron.
Cette question fondamentale est une des forces qui fait avancer la physique moderne. Elle est même à la base de la Théorie Quantique des Champs mais nous ne sommes toujours pas plus avancés sur sa réponse.
 
Pour répondre à cette question, vous pensez qu’il suffit de l’observer ? Plus facile à dire qu’à faire. Les électrons sont trop petits pour être observés.
La plus petite chose que nous puissions observer est un atome et encore, pas avec n’importe quel microscope. Dans les faits, nous utilisons les électrons pour observer les atomes. Cette méthode d’observation fonctionne en utilisant un faisceau d’électrons accélérés comme source de lumière pour pouvoir observer des objets 1 million de fois plus petit qu’un cheveux humain (~0.1nm), ce qui nous permet tout juste de « voir » des atomes individuels.
 
 
A gauche : le Piège de Penning
 
Donc, nous ne pouvons pas observer directement un électron, mais nous pouvons observer son comportement, plus particulièrement son énergie. Pour faire cela, les physiciens utilisent actuellement des pièges de Penning (ou piège à ions de Penning) – une technique développée dans les années 1970 dans le but de « piéger » des particules chargées sur une longue période de temps, permettant de réaliser des mesures très précises. Le piège de Penning fonctionne en appliquant de puissants champs électrique et magnétique de façon à piéger la ou les particules dans la partie axiale de l’instrument.
L’oscillation (ou fréquence) cyclotron de la particule ainsi piégée – qui est la fréquence de rotation de la particule sur elle-même perpendiculaire au champ magnétique – est proportionnelle au ratio masse-charge. Les ions de même ratio masse-charge subiront la même force de déflexion.
En mesurant cette force de déflexion dans le piège de Penning et en la comparant au mouvement de déflexion d’une particule dont on connait bien la masse – le carbone 12 par exemple – nous pouvons donc en déduire la masse de la particule piégée.
 
Ce qu’il est important de noter ici, c’est qu’en réalisant la mesure de cette énergie, nous ne mesurons l’énergie que d’un seul ion (id – un électron entourant un noyau central) et pas d’un électron seul.
 
Si nous ne pouvons pas voir l’électron, comment l’avons-nous découvert ?
 
A droite : Un tube cathodique
L’électron a été découvert en 1879 par J. J. Thompson alors qu’il étudiait la lumière brillante observée sur un écran phosphorescent quand on applique une haute tension à travers deux électrodes dans un tube partiellement vide – un tube cathodique. Ces « rayons » ou « faisceaux de particules » sont connus sous le nom de « rayons cathodiques » car ils proviennent d’une cathode.
 
Dans le but d’étudier leurs propriétés, J. J. Thompson les a soumis à l’influence de champs électriques et magnétiques obliques, et à chaque fois le résultat était que la déflexion des rayons cathodiques se dirigeait vers le positif et fuyait le négatif indiquant clairement leur charge négative. De plus amples expérimentations permirent à J. J. Thompson de déterminer le ratio charge-masse de ces particules composant les rayons cathodiques et c’était beaucoup plus petit que n’importe quel atome connu à cette époque. J. J. Thompson était intrigué quant au rôle que jouait la cathode dans l’émission de ces particules. Il changea le matériel de la cathode mais constata que les propriétés des rayons cathodiques restaient constantes peu importe le matériel. A partir de ses expériences, J. J. Thompson conclut que l’électron était une particule qui composait toute la matière, ceci mettant fin au règne de l’atome comme étant la plus petite particule. En fait, selon J. J. Thompson l’atome était composé de particules subatomiques qu’il a appelé « corpuscules » et que nous appelons aujourd’hui « électrons ».
Plusieurs modèles se sont suivis pour expliquer ce nouveau fonctionnement de l’atome.
 
A gauche : le modèle atomiste du "plum pudding"
Le premier est l’œuvre de J. J. Thompson lui-même qui se basait sur ses observations que l’électron est de charge négative et que donc pour contrebalancer cette charge négative dans le but d’obtenir un atome neutre, il devait y avoir une source de charge positive. Il proposa alors qu’un atome est un ensemble d’électrons baignant dans une soupe de charge positive de forme sphérique. Ce modèle fut connu sous le nom de Modèle Atomique de Thomson ou modèle du plum pudding (gâteau aux prunes), les prunes étant les électrons confinés dans la pâte du gâteau de charge positive.
 
A droite : Expérience de Rutherford avec la feuille d'or
Mais le modèle du « gâteau aux prunes » s’est révélé incorrect lorsque Ernest Rutherford a réalisé sa fameuse expérience de la feuille d’or avec Geiger et Marsden dans laquelle il bombardait une fine feuille d’or avec des particules alpha (chargé +2e) et constatait que la plupart des particules passaient à travers la feuille d’or alors que seulement un petit pourcentage en étaient détournées. Rutherford en conclut que la masse d’un atome est concentrée dans son centre et proposa le modèle d’un noyau central positif entouré d’électrons négatifs.
 
A droite : Orbites de Bohr
Ce modèle fut développé plus en avant par Niels Bohr qui précisa le positionnement des électrons autour du noyau. Au lieu d’être distribués au hasard, Niels Bohr affirma que les électrons suivaient des trajectoires orbitales – comme les planètes autour d’une étoile.
 
Dans ce système, les électrons sont conçus comme des « boules de billard » ou des « planètes » occupant un niveau d’énergie discret (mesurable) ; des orbites.
 
Maintenant, un modèle devrait être capable de nous expliquer ce que nous observons.
Lorsque nous avons réalisé des analyses spectrales de l’hydrogène – id quand la lumière émise par un gaz d’hydrogène passe à travers et est déviée par un prisme – nous avons observé l’émission de lignes discrètes (définies mathématiquement). Dans le modèle de Bohr, ces lignes sont expliquées par les transitions des électrons d’un orbite à l’autre - quand un électron absorbe une quantité de lumière (énergie) il transite sur une orbite de niveau énergétique supérieur – l’électron est alors « excité » et instable. Lorsqu’il redevient calme et stable, il émet un photon et redescend à l’orbite inférieur. Ce sont ces photons qui sont observés dans ces lignes.
 
Cependant, le modèle de Bohr était seulement capable d’expliquer les émissions spectrales de l’hydrogène et des atomes à un seul électron, comme l’hélium ionisé. Pour les atomes multi-électrons, les analyses spectrales montraient l’émission de beaucoup de lignes discrètes que le modèle de Bohr ne pouvait pas expliquer.
 
C’est alors que le modèle quantique a fait son entrée. Au lieu d’expliquer les électrons comme des « boules de billard » positionnées sur des orbites discrètes, le modèle quantique considère les électrons et les positrons comme des particules sans structure interne.
 
Contrairement au modèle de Bohr, les électrons ne sont pas positionnés sur des orbites bien définies, mais leur localisation peut être prédite en fonction de probabilités (distribution probable autour de l’atome) donnant naissance au concept de « nuage électronique ». Le modèle du nuage électronique a été développé en 1926 par Erwin Schrödinger et Werner Heisenberg et peut être expliqué en termes d’ondes de probabilités – surtout avec l’équation de Schrödinger – où les orbites (ou les états) que les électrons peuvent occuper dans un atome sont similaires à une onde stationnaire.
 
Dans le modèle quantique, ces orbites ou états, dépendent d’un système de 4 nombres quantiques : le nombre quantique principal n, le nombre quantique azimutal L (ou nombre du moment angulaire orbital), le nombre quantique magnétique m, et le nombre quantique magnétique de spin (ou nombre du spin quantique) s.
 
Ce sont ces nombres quantiques qui définissent la position et la vitesse (momentum) des électrons en termes de nuage de probabilités et qui expliquent l’émission des lignes que le modèle de Bohr ne parvenait pas à expliquer. Le modèle quantique va plus loin et est même capable d’expliquer l’émission de lignes dûes à l’influence d’un champ magnétique extérieur ou aux interactions avec le vide quantique.
 
Malheureusement, bien que ce modèle soit très utile et peut expliquer ce que le modèle de Bohr ne peut pas, il ne révèle toujours pas la vraie nature de l’électron et de sa masse.
Car dans ces modèles, la masse de l’électron n’est pas dérivée de principes premiers mais plutôt d’observations empiriques.
 
La définition standard pour la masse de l’électron est généralement dérivée de la constante de Rydberg – une constante qui relie les lignes spectrales à la quantité d’énergie.
 
A droite : Définition standard de la masse de l'électron
Donc comment découvrir la vraie nature ou structure de l’électron ?
 
Pour avoir une image plus claire de l’électron, peut-être est-il temps de regarder l’univers de façon quantifiée, du plus petit au plus grand. Le modèle holographique généralisé proposé par Nassim Haramein offre une telle vision – et tout part de l’unité de Planck, définissant le bit d’information (ou voxel) fondamental de l’univers.
 
Dans ce modèle qui prolonge les travaux de David Bohm, Jacob Bekenstein, Stephen Hawking et Gerard ’t Hooft, l’énergie (ou quantité d’information) de tout système sphérique est proportionnelle au nombre d’USP (Unités Sphériques de Planck) à l’intérieur du volume sphérique (entropie du volume) et le nombre de ces USP à la surface de l’horizon sphérique (entropie de la surface) soit un ratio volume/surface. Cette relation holographique (volume/surface) entre l’intérieur et l’extérieur définit la densité de masse-énergie d’un système alors que l’inverse (surface/volume) définit la masse exprimée par le système à chaque moment – ou comme l’a exprimé David Bohm, les mouvements de contraction et d’expansion (en anglais ; the unfolded and the enfolded).
 
La question que nous nous posons est : cette approche peut-elle être étendue à l’électron ? La première chose pour répondre à cette question est de considérer l’extension spatiale de l’électron et le volume d’information qu’il contient. Malheureusement, l’extension spatiale de l’électron n’a pas été à ce jour définitivement tranchée. Quel rayon devons-nous utiliser ?
 
L’approche holographique généralisée voit la masse comme un produit de la structure granulaire de l’espace-temps à l’échelle de Planck, en termes de potentialité de transfert d’information du ratio surface/volume, diminuant proportionnellement alors que le rayon augmente. Donc si nous partons du principe qu’un nuage électronique peut être considéré comme un champ cohérent d’information – composé d’électrons, au lieu de considérer l’électron comme un système séparé, nous pouvons concevoir l’électron comme un nuage d’énergie potentielle spatialement étendue, à partir du proton vers l’extérieur du rayon, où le volume contient le nuage électronique d’un atome d’hydrogène de Bohr.
 
Quand nous utilisons cette approche, nous trouvons une solution de masse pour l’électron, en termes d’un ratio holographique surface/volume (S/V) – soit la potentialité de transfert –et le résultat de cette solution concorde parfaitement avec la valeur de la masse de l’électron mesurée en laboratoire.
 
A droite : Solution holographique S/V de la masse de l'électron
Une image se développe dans laquelle la structure de l’atome de Bohr et la masse et la charge de l’électron et du proton sont des conséquences de la dynamique de spin (ou rotation) du mouvement co-dépendant de la structure granulaire de l’espace-temps à l’échelle de Planck. Donc maintenant, nous avons un modèle de physique qui nous donne une compréhension plus profonde de la nature de l’électron et qui nous donne sa masse correcte !
 
De plus, lorsque l’on applique ce modèle aux différentes échelles de rayons des atomes, nous trouvons la masse pour le nombre total d’électrons de chaque élément.
Cette solution nous donne une image claire de la structure de tous les atomes du tableau périodique des éléments, en définissant le nuage électronique d’un atome comme étant composé des fluctuations du vide quantique à l’échelle de Planck. Il en résulte une élucidation des sources de la constante de structure fine, de la constante de Rydberg et du ratio de masse proton-électron dans l’atome, désormais déterminées comme de l’énergie du vide.
Donc, à partir de la structure granulaire de l’espace-temps à l’échelle de Planck, l’approche holographique généralisée nous donne la masse d’un trou noir, la masse du proton et maintenant la masse de l’électron. Les détails de ce travail ont récemment été publiés dans la revue Physics Essays.
 
 
Traduction de l’article par Olivier Thomas et Hugo Charles.
 
 
 
 
 
 
 Unified Science Course  Unified Science Course  
Partagez cet article avec vos amis !

 


Inscrivez-vous gratuitement au Cours de Science Unifiée en ligne !

 
Close

50% Complete

Two Step

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit, sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua.