Les électrons sont des particules subatomiques élémentaires de masse négligeable qui entourent le noyau d'un atome. Ils sont liés au noyau en raison de l’attraction électromagnétique, les atomes neutres ayant un nombre égal de protons et d’électrons. Les électrons peuvent absorber de l'énergie et s'échapper du noyau, formant des ions lorsqu'ils perdent ou gagnent des électrons.
Que sont les électrons ?
L'électron est une particule subatomique présente dans tous les atomes. Contrairement aux protons, aux neutrons ou aux noyaux des atomes, les électrons sont des particules élémentaires. Cela signifie qu’ils ne sont pas composés de particules encore plus petites. Contrairement aux protons et aux neutrons, les électrons n’ont pratiquement aucune masse. Enfin, les électrons diffèrent des protons et des neutrons dans le sens où ils entourent le noyau au lieu d’en faire partie.
Normalement, les électrons sont liés aux noyaux des atomes. Cela se produit parce que les électrons ont une charge négative qui interagit avec la charge positive du noyau d'un atome. Dans un atome neutre, le nombre d’électrons est le même que le nombre de charges positives dans le noyau.
Tous les éléments du tableau périodique sont neutres. Cependant, n’importe quel atome peut avoir plus ou moins d’électrons que de charges positives. Cela rend l’atome chargé négativement ou positivement. Ces atomes chargés sont appelés ions. Plus précisément, les ions chargés négativement sont appelés anions et les ions chargés positivement sont appelés cations.
Cette image montre la probabilité de trouver l'électron de l'hydrogène dans les états base (n=1) et excité (n=2 et n=3). Les zones claires indiquent une probabilité plus élevée. Les lignes (l) indiquent le moment cinétique de l'électron. Crédit : Physique universitaire Vol 3 par OpenStax (CC BY 4.0)
Les atomes perdent des électrons en raison de la manière dont ils interagissent avec des forces situées au-delà des noyaux atomiques. Lorsqu’un électron gagne de l’énergie supplémentaire, il peut devenir excité. Cela peut se produire lorsqu'un électron absorbe un photon (un paquet de lumière) ou entre en collision avec un atome ou une particule à proximité. Les électrons peuvent gagner suffisamment d’énergie pour laisser derrière eux les noyaux atomiques. Ces électrons libres se mélangent aux ions pour former un plasma.
Les électrons peuvent se séparer des atomes en raison de la façon dont ils entourent les noyaux. Dans le passé, les scientifiques pensaient que les électrons tournaient autour des noyaux de la même manière que la Lune tournait autour de la Terre. Cependant, les scientifiques pensent désormais que les électrons entourent les noyaux dans un nuage divisé en coquilles. Ces coquilles sont semblables aux différentes couches de l’atmosphère terrestre. Cependant, les électrons n’existent pas à des points précis de ces coquilles. En raison de la mécanique quantique, les électrons agissent à la fois comme des points et des ondes. Cela signifie que les zones à l’intérieur des coquilles ont des probabilités différentes de contenir des électrons.
Les atomes ont plusieurs coques, chacune avec un nombre différent de sous-couches. Les coquilles peuvent contenir de plus en plus d'électrons à mesure qu'elles s'éloignent du noyau, et les électrons ont des niveaux d'énergie de plus en plus élevés à mesure qu'ils s'éloignent du noyau.
Si les deux coques extérieures sont pleines, l’élément est beaucoup moins réactif avec les autres éléments. Cette faible réactivité explique pourquoi les éléments de la dernière colonne du tableau périodique – hélium, néon, etc. – sont appelés « gaz rares » car ils ne réagissent pas.
Lorsque les électrons sont « excités » et gagnent de l’énergie, puis « se détendent » et retournent à leur coquille d’origine, l’atome émet un photon. La longueur d'onde du photon dépend de la distance à laquelle l'électron retombe vers le noyau de l'atome. Ces longueurs d'onde sont spécifiques à chaque élément.
Faits rapides
- Découvrez les électrons et les autres composants des éléments avec ce tableau périodique interactif.
- Les électrons peuvent « créer un tunnel » et apparaître de l’autre côté d’une barrière. C'est un phénomène appelé tunnel quantique, et c'est possible parce que les électrons sont à la fois des particules et des ondes, et qu'une partie d'une onde peut se trouver de l'autre côté d'une barrière. Ce phénomène est utilisé dans les microscopes électroniques et les circuits intégrés modernes.
Bureau scientifique du DOE : Contributions à la recherche sur les particules subatomiques
Le Bureau de physique nucléaire du DOE au sein du Bureau des sciences soutient la recherche visant à comprendre toutes les formes de matière nucléaire et les particules subatomiques qui composent les noyaux atomiques. Cette recherche comprend la découverte de propriétés jusqu'alors inconnues des atomes et des particules subatomiques qui les composent dans leur état naturel pour des applications importantes en médecine, en commerce et en défense nationale. Un autre domaine d’étude consiste à comprendre précisément comment les noyaux sont structurés en fonction du nombre de protons et de neutrons qu’ils contiennent. D'autres recherches portent sur le chauffage des noyaux à la température de l'univers primitif pour comprendre comment ils se sont condensés à partir de la soupe quark-gluon qui existait à l'époque.
