Electron

Le plus connu des corpuscules élémentaires

Révision éditoriale 2026

Propriétés de l’électron

L’électron est un corpuscule qui joue un rôle fondamental dans de nombreux domaines scientifiques (physique, chimie, biologie…) et dans notre vie quotidienne. En plus de transporter l’électricité, il est responsable des propriétés chimiques des éléments : c’est en partageant les électrons périphériques de leurs cortèges que les atomes s’assemblent en molécules.

La découverte de l’électron en 1897, par le physicien anglais Joseph John Thomson, a marqué un tournant dans notre compréhension de la nature. Elle a précédé de peu celle de la radioactivité. Thomson étudiait les rayons émis par la cathode des « tubes à rayons cathodiques », les ancêtres de nos télévisions avant l’arrivée des écrans plats.

De ses observations, Thomson déduisit la nature corpusculaire des rayons cathodiques. Il mesura le rapport de la masse et de la charge de ces corpuscules et en déduisit qu’ils étaient au moins 1000 fois plus légers que l’ion d’hydrogène (le proton), l’objet le plus léger alors connu.

 

L’électron est encore plus léger que ne l’avait mesuré Thomson : sa masse est 1837 fois plus petite que celle d’un proton. Si on exprime la valeur de cette masse dans une unité habituelle comme le gramme, on obtient un nombre extrêmement petit, comportant 27 zéros après la virgule : me = 0.911 x 10-27 g. C’est pourquoi on préfère exprimer l’énergie de masse mec² (masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré) dans une unité adaptée aux énergies du monde subatomique, l’électron-volt (eV), ou encore ici le kilo-électron-volt (1 keV = 1000 eV) : mec² = 511 keV.

La propriété la plus connue de l’électron est sa charge électrique -e. L’histoire de l’électricité a amené à définir cette charge comme étant négative, d’après une convention fixée avant la découverte de l’électron. La quantité e est la charge électrique élémentaire, la plus petite charge pouvant être portée par une particule isolée. Exprimée en Coulomb (C), elle vaut e = 1.602 x 10-19 C.

L’électron est aussi caractérisé par une quantité appelée spin, qui décrit sa rotation intrinsèque : de façon imagée, on peut se représenter une petite toupie tournant sur elle-même. L’électron possède le plus petit spin non nul permis par la mécanique quantique. Cela correspond à deux états de rotation possibles par rapport à un axe fixé : dans un sens ou dans le sens opposé. Le physicien italien Enrico Fermi a formulé le premier la théorie de ces corpuscules à deux états de rotation (comme l’électron, mais aussi les nucléons et d’autres particules). Ils sont appelés fermions en son honneur.

Les fermions sont soumis à une règle appelée le principe d’exclusion de Pauli. Ce principe dit que deux fermions ne peuvent être dans un même état quantique. Il joue un très grand rôle dans la structure de l’atome. Ainsi, selon le principe de Pauli, deux électrons seulement peuvent partager l’espace le plus proche du noyau. En effet, dans cet espace (appelé couche K), seul le spin permet de distinguer l’état quantique des électrons : on a donc deux états possibles (rotation dans un sens ou dans le sens opposé). Un troisième électron ne pourra partager cet espace, car les deux états de spin sont pris. Il devra choisir un territoire plus éloigné. Ce territoire plus éloigné (appelé couche L) peut accueillir jusqu’à 8 électrons, pour lesquels le spin se combine avec un mouvement de rotation autour du noyau. Ainsi se construisent, couche après couche, les atomes entourés du volumineux cortège électronique que nous connaissons.

Une particule élémentaire parmi d’autres

D’après le modèle standard de la physique des particules, l’électron est une particule élémentaire, c’est-à-dire une particule qu’on ne peut décomposer en constituants plus petits. Ce n’est pas le cas des nucléons formant le noyau atomique, qui sont eux-mêmes constitués de particules élémentaires appelées quarks. La première génération de fermions élémentaires est constituée de l’électron, du neutrino électronique (de charge électrique nulle), et des quarks u (up) et d (down) qui composent les neutrons et protons. Les quarks ont la particularité d’avoir une charge électrique fractionnaire (+2/3 e pour u, -1/3 e pour d) et de ne pouvoir être observés isolément. Deux autres générations de fermions existent, contenant chacune une version plus massive et instable de l’électron : le muon (200 fois plus massif) et le tau (3500 fois plus massif).

Rôle des électrons dans les phénomènes de radioactivité