Electron

L’electron qu’ei ua particula elementària (qu’ei a díser que dinc a uei, pensan que ne se pòt pas dividir) o particula subatomica. Lo son simbòl qu’ei e^-. Qu’ei ua particula fondamentau en quimia e en fisica nucleara : que participa aus ligams de las moleculas, a las reaccions quimicas e nuclearas. Qu’a tanben un ròtle important en electricitat, magnetisme, conductivitat termica, reflexion optica... Que participa a las interaccions fèblas, electromagneticas e gravitacionaus.

L’electron qu’a proprietats intrinsècas : ua carga electrica negativa de 1,6 × 10^-19 Coulomb, ua massa de 9,1 × 10^-31 kg^[1] e un spin (1/2 o -1/2). Qu’ei implicat en mei d’ua aplicacion coma l’electronica, lo sodatge, los tubs catodics, los microscòpis electronics, la radioterapia, los lasèrs, los detectors a ionizacion gazosa, los accelerators de particulas...

Lo mot electron que veng deu grèc ἤλεκτρον / ếlektron que vòu díser ambre jaune.

Thalès de Millet (624 av JC - 547 av JC), filosofe e matematician, constata l’ambre jaune hregat dab ua pèth de gat qu’atira objèctes. Mei tard, lo mètge de la reina d’Anglatèrra Elizabeth 1^èra, William Gibert (1544-1603) qu’apèra electricus l’energia obtenguda per aqueste fretar (tractat De Magnete, 1600) tà hèr referéncia a l’ambre. Fin finala, en 1894, lo fisician irlandés George Stoney (1826-1911) que causish lo nom d’electron tà designar la carga elementària de l’atòm^[2].

Qu’existish tres procèssus de creacion deus electrons : creacion iniciau au temps deu Big Bang, creacion au moment de la penetracion deus arrais cosmics dens l’atmosfèra, creacion per radioactivitat β^-.

La teoria deu Big Bang^[3] qu’ei adara grandament admetuda. L’univèrs qu’auré començat la sua expansion 13,75 milliards d'annadas a, a partir d’un estat d'ua infinida densitat e temperatura. Pendent 15 segondas, l’energia que seré estat sufisenta tà produsir electrons :

ɣ + ɣ  ⇋  e⁺ + e^-

dab un equilibre enter los fotons ɣ, los electrons e^-, e los positrons (o antielectrons) e⁺.

Puish la temperatura de l’univèrs qu’auré baishat e los electrons dab los positrons que serén tornat vader fotons. Qu’ei lo procèssus d’aniïlacion. Mes, n’ac saben pas perqué, un electron sus un miliard qu’auré suberviscut.

Los arrais cosmics^[4] son particulas qui mudan dens l’espaci dab energias de las màgers (dinc a 3 x 10²⁰ eV). En entrar dens l’atmosfèra, quan encontran nuclèus d’atòm, que pòden produsir ua garba de particulas qui comprénguen pions qui se van desintegrar en electrons :

${\displaystyle \pi ^{-}\rightarrow e^{-}+{\overline {\nu _{e}}}}$

on π^- qu’ei un pion negatiu, e^- un electron, e ν_µ un neutrinò muonic.

Pendent la vita d’ua estela, nuclèus pesuts que pòden desintegrà's en crear navèths electrons. Tot parièr, quan ua par de particulas coma un electron e un positron se crean au ras de l’orizont de las hèitas d’un trauc negre, l’ua pòt anar a l’exterior e l’auta a l’interior deu trauc negre, çò qu’apèran la radiacion de Hawking^[5].

Las reaccions quimicas que perméten la liberacion o l’escambi d’electrons. L’energia, s’ei sufisenta, que pòt desarrigar un electron d’un atòm. Per exemple, dab un camp electric, que pòden tirar electrons d’un metau.

Pr’amor de la temperatura, l’estat plasmà qu’ei ua “garbura” d’electrons, ions e moleculas. Que tròban estats plasmà dens lo sorelh, un eslambret o dens utís tà gravar en microelectronic per exemple.

Qu’aven descobèrt l’electricitat avant d’identificar l’electron. Desempuish, la nosta coneishença qu’a evoluat dab quauquas estapas màgers ligadas a la fisica quantica : discontinuitat de los nivèus d’energia, dualitat onda-corpuscule, orbitala, spin.

Lo quimista anglés Richard Laming (1798-1879) que publica articles enter 1838 e 1851 tà perpausar l’idèa que l’atòm ei constituit d’un còr materiau entornejat de petitas particulas dab ua carga electrica. Lo fisician irlandés George Stoney (1826-1911) que va evaluar aquera carga e causir lo nom d’electron^[6].

Lo fisician anglés Joseph John Thomson (1856-1940) que pròva per ua experiéncia sus tubes catodics, l’existéncia de l’electron en 1897. Que pensa l’atòm qu’ei coma un plum pudding, ua pasta positiva dab inclusions negativas.

Fin finala, lo fisician neozelandés Ernest Rutherford (1871-1937) que muisha en 1912, dab l’experiéncia de las huelhas d’aur, que l’atòm ei constituit d’un nuclèu qui concentra la carga positiva e quasi tota la massa, d’espaci vueit, e d’ua nubla electronica. Que perpausa un modèle nuclear de l’atòm.  

Lo modèle de Rutherford, dab electrons que viran au torn deu nuclèu, coma un planeta au torn deu sorelh, ne fonciona pas, pr’amor, segon las leis de l’electromagnetisme, l’electron que deveré pèrder energia en virar e, donc, l’electron que deveré fenir per càger suu nuclèu.

En 1913, lo ficisian danés Niels Bohr (1885-1962) que suggerish los electrons que son estables (parlen d’estat estacionari) sus ua orbita dab ua energia definida, e qu’aqueras orbitas son en estats quantificats^[7]. Atau l’electron qu’a ua energia definida qui depend de l’orbita e ne pòt pèrder o ganhar energia qu’en sautar sus ua auta orbita (qu’emet o qu’absorbish un foton).

L’energia de l’electron qu’ei determinada peu moment cinetic orbitau (qui tradusish la quantitat de movement de la sua rotacion au torn du nuclèu)

La descobèrta de Niels Bohr qu’ei de las màgers, pr’amor muisha que lo monde de l’infinidament petit ne fonciona pas coma lo monde de la fisica classica. En lo monde que coneishen, un objècte que pòt aucupar totas las posicions de l’espaci, l’espaci qu’ei continú. Dens lo monde de l’infinidament petit, l’elecron ne pòt aucupar que quauques nivèus d’energia (sete coneguts uei).

De mei, aqueth modèle, revisat dens las annadas 1920, que permeterà descobèrtas essenciaus coma lo spin deus electrons, lo principi d’exclusion de Pauli, lo lasèr o enqüèra l’estat plasmà (quatau estat de la matièra).

Aquera nocion qu’ei essenciau tà comprénguer çò qu’ei un electron e que son las suas caracteristicas.

En tot s’inspirar deu trabalh de Max Planck e Albert Einstein sus la lutz, lo fisician francés Louis de Broglie (1892-1987)  que hè l’ipotèsi que las particulas pòden adoptar las proprietats d’ua onda. Que liga la longor d’onda λ a la massa m d’ua particula dab la formula :

λ=h/mv​

dab h= 6,626 x 10^-34 kg.m²/s constanta de Plank, e v : vitessa de propagacion.

Atau, los objèctes de massa importanta, ua bala per exemple de 100 g. qui va a 100 km/h qu’a ua longor d’onda de 2,4 10^-34 m. Ua valor hèra petita e negligibla. La bala ne se comportarà pas coma ua onda ! Mes la longor d’onda d’un electron de massa intrinsèca 9,1 10^-31 kg a 4 000 km/s qu’ei de 1,8 10^-10 m. Qu’ei de l’òrde d’ua longor de liaison quimica o de daubuns atòms, e que se poirà comportar coma ua onda.

Qu’emplegan sovent la metafòra deu cilindre tà explicar aqueths dus comportaments. L’ombra deu cilindre que pòt estar un carrat o un cercle segon la direccion de la projeccion de la lutz.

Tot parièr, l’electron qu’apareish coma ua onda o coma un corpuscule segon la situacion, mes que correspón a ua sola realitat : l’electron. L’experiéncia de las hentas de Young qu’a botat suu candelèr aquera “dualitat”.

Lo fisician autrichés Erwin Schrödinger (1887-1961) que va ahondir la vision de Louis de Broglie e elaborar un modèle on los electrons son ondas de matièra. Atau la descripcion de l’atòm qu’ei adara dita modèle quantic, o, a còps, modèle ondulatòri.

Que va identificar la foncion d’onda qui representa l’estat quantic deu sistèma |ψ(t)⟩. Aqueth estat definit dens l’espaci de las posicions |r⟩ qu’ei notat ψ(r,t). La probabilitat de trobar l’electron dens la posicion r a un moment t qu’ei |ψ(r,t)|². L’ensemble deus endrets on se pòt trobar un electron qu’ei nomat ua orbitala. Se l’atòm a mei d’un electron, qu’a tanben mei d’ua orbitala. Que pòden díser la foncion d’onda qu’ei un utís matematic qui representa l’ensemble d’aqueras orbitalas.

Probabilitat de preséncia de l’electron dens l’orbitala

Dens lo monde classic, un objècte en movament qu’a ua posicion dada e va a ua vitessa dada. Que pòden mesurar aqueras grandors. Mes l’electron qu’ei un objècte quantic e se compòrta d’ua auta faiçon.

Quau que sia lo son nivèu d’energia, l’electron que demora a distancia deu nuclèu mes que pòt estar a mei d’un lòc dens la sua orbitala. Coma tot objècte, l’electron que pòt estar en ua posicion (r₁), o ua auta (r₂), (r₃)... o (qu’ei ua especificitat deus objèctes quantics) en un estat superpausat de tots aqueths estats. Sovent que disen que pòt estar pertot au còp, mes n’ei pas corrècte de díser atau pr’amor, en fèit, qu’ei enlòc.

Que saben sonque la probabilitat de trobar l’electron dens l’obitala qu’ei au mensh de 90%.

En 1922, Otto Stern e Walther Gerlach que pensan l’electron que’s pòt comportar coma un asimant, dab un pòle nord e un pòle sud. Samuel Goudsmit e George Uhlenbeck que van descobrir en 1925 lo spin deus electrons. Râman e Bhagavantam que hèn ua experiéncia en 1931 qui muisha clarament aqueth spin^[8].

Un objècte fisic, per exemple ua pelòta, entornejat per un hiu electric e que vira sus eth medish que’s compòrta coma un asimant. Qu’ei quaucom atau per l’electron, mes n’ei pas ua rotacion d’un objècte fisic. Que disen l’electron qu’a ua proprietat intrinsèca d’asimant, dit spin (de l’anglès to spin : virar, hèr virar). Lo spin de l’electron ne pòt pas prénguer sonque duas valors : ½ (o up) e - ½ ( o down).

En matematica, lo spin qu’ei un operator vectoriau hermician Ŝ.

Dab lo principi d’exclusion de Pauli, se dus electrons son sus la medisha orbitala, qu’an spins opausats.

Paul Dirac que generaliza l’equacion de Schrödinger per ua equacion relativista qui implica lo spin de l’electron e l’existéncia d’ua particula electrica positiva : lo positron o antielectron.

Dab quate nombres quantics^[9] que pòden definir l’electron.

Lo prumèr, dit nombre quantic principau, escriut n, que balha lo nivèu d’energia de l’electron dens l’atòm, donc la distància mejana de l’orbitala au centre deu nuclèu. Que pòden aver n=1, 2, 3, etc.

Lo dusau, dit nombre quantic segondari o azimutau, escriut ℓ, que balha lo moment angular de l’electron, sia la geometria de la foncion d’onda, la fòrma de l’orbitala (esfèra, sablèr segon los axes x, y o z,...). Que pòt prénguer la valor 0, 1, 2 ... n-1. En quimia, que s’escriven s, p, d, f.

Lo tresau, dit nombre quantic magnetic, escriut m_ℓ, que balha la projeccion deu moment angular sus un axe, sia la direccion de l’orbitala. Que pòt prénguer totas las valors de -ℓ a +ℓ. Atau, un electron suu nivèu s qu’a ua sola orbitala, suu nivèu p tres orbitalas (-1, 0, +1), suu nivèu d cinc orbitalas (-2, -1, 0, +1 +2), etc.

Lo quatau nombre qu’ei lo spin. Que pòt valer -1/2 o +1/2.

1. ↑ Las valors precisas que son definidas per la Conferéncia generau deus pes e mesuras
2. ↑ definicion CNRTL
3. ↑ (en) The Big Bang, Joseph Silk, , Macmillan, 2000, 3^e éd. (ISBN 0-8050-7256-X)
4. ↑ (en) Synthesis of the elements in stars, E. Margaret Burbidge, G. R. Burbidge, William A. Fowler and F. Hoyle, Reviews of Modern Physics, vol. 29, no 4,‎ 1957, p. 548–647
5. ↑ (en) Particle creation by black holes, S. W. Hawking, Communications in Mathematical Physics, vol. 43,‎ 1975, p. 199-220
6. ↑ (en) Of the "Electron," or Atom of Electricity, George Johnstone Stoney, Philosophical Magazine, vol. 38, no 5,‎ 1894, p. 418–420
7. ↑ The Structure of the Atom, Niels Bohr, Nobel Lecture, December 11, 1922
8. ↑ (en) Quantum Mechanics, Y. Peleg, R. Pnini, E. Zaarur, E. Hecht, 2e édition, 2010. (ISBN 978-0-07-162358-2)
9. ↑ (fr) Nombres quantiques et orbitales atomiques