ÉLECTRONS
L'électron quantique
La théorie quantique de l'électron a commencé par l'hypothèse de Louis de Broglie (1892-1987) qui suggère en 1923 que l'association onde-corpuscule observée pour le photon est universelle : il associe à l'électron en mouvement une longueur d'onde λ = h/p, où p est l'impulsion et h la constante de Planck et il prédit qu'un électron doit donc être capable de diffraction.
En 1927, les physiciens américains Clinton Davisson (1881-1958) et Lester Germer (1896-1971) détectent la diffraction des électrons par un cristal de nickel. Cette découverte fut quelque peu accidentelle : à la suite d'une fausse manœuvre, ils avaient pollué un échantillon de nickel sur lequel ils étudiaient sous vide la diffusion des électrons. Ils décident donc de le chauffer longuement en atmosphère d'hydrogène, pour décomposer les oxydes formés à la surface. Quand ils reprennent leur expérience, les électrons diffusés sont rassemblés en taches, en tout point semblables aux taches, dites de von Laue, qu'on observe dans la diffusion des rayons X par un cristal : pendant l'échauffement, le nickel polycristallin s'est transformé en monocristal. La connaissance de la maille du réseau cristallin leur permet alors de calculer la longueur d'onde des électrons, et la valeur trouvée se trouve être en bon accord avec la relation de Louis de Broglie.
C'est dans le cadre de la mécanique quantique développée à cette époque que cette découverte prend tout son sens. Cette propriété permet de construire, avec des électrons, des systèmes optiques de très grande sensibilité, car la limite de diffraction peut être repoussée en augmentant l'énergie des électrons.
Le pouvoir de résolution d'un microscope est limité par la diffraction à la valeur 1,22 λ/sin θ, où λ est la longueur d'onde et θ l'ouverture angulaire de l'objectif. Dans un microscope électronique, les champs magnétiques et électriques permettent de construire des lentilles suffisamment précises, en même temps que l'accélération des électrons diminue la longueur d'onde. La limite est atteinte quand l'énergie dans le faisceau devient assez importante pour risquer de détruire l'échantillon à étudier : les microscopes électroniques les plus puissants ne sont utilisables à leur limite de résolution qu'avec des échantillons capables de résister à l'énergie reçue, mais ils peuvent rendre visibles les molécules.
Un avatar particulier du microscope électronique est l'accélérateur de particules. De fait, de telles machines ont servi à mesurer la taille des noyaux des atomes, puis celle du proton lui-même. L'interprétation des résultats expérimentaux de l'accélérateur linéaire d'électrons de Stanford (Californie, États-Unis), de plus de 3 kilomètres de longueur, a permis de mettre en évidence, en 1968, une sous-structure dans les protons et les neutrons : les quarks et les gluons. Cette étude a été poursuivie grâce au collisionneur HERA (Hadron Electron Ring Accelerator) du laboratoire Desy (Deutsches Elektron Synchrotron) à Hambourg puis avec le très intense accélérateur du laboratoire Jefferson en Virginie (États-Unis), permettant d'explorer avec une précision croissante la structure des protons.
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Écrit par
- Jean-Eudes AUGUSTIN : directeur de recherche au C.N.R.S.
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Médias
Cercle d'atomes de fer
Courtesy IBM Research, Almaden Research Center
Électron : propriétés
Encyclopædia Universalis France
Joseph Thomson
Keystone/ Hulton Archive/ Getty Images
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