Modèle standard des particules
Atome : électrons

L'atome (du grec " atomos ", insécable, notion introduite par Leucippe, reprise par Démocrite) est composé :

• 1. d'un noyau, qui contient l'essentiel de la masse (99,97%), comprenant des nucléons : neutrons qui, comme leur nom l'indique, sont neutres, et les protons de charge positive ($e^+$) ;
• 2. d'électrons, de charge électrique négative ($e^-$).

Vue d'ensemble

L'électron est un fermion (spin demi-entier) qui :

• suit la statistique de Fermi-Dirac (théorème spin-statistique), qui décrit leur distribution statistique ;
• est assujetti au principe d'exclusion de Pauli, qui interdit à tout fermion d'un système d'avoir exactement les mêmes nombres quantiques qu'un autre fermion du système (cf. spin-orbitales).

L'électron, qui est une saveur leptonique, forme un doublet faible avec son neutrino ($\nu$ : nu grec).

• Le neutrino électronique ou neutrino-électron, $\nu_{\displaystyle e}$, non chargé et à masse presque nulle.
• Les neutrinos droits n'existent pas.

Propriétés des électrons

L'électron possède une charge électrique négative ($e^-\approx-1,602\times10^{-19}\;C$).

Cette charge est utilisée comme unité standard pour les particules.

1. Sa masse ($m_e$) est de $511 \;KeV/c^2\approx9,109\times10^{-31}\;kg$. Elle est environ 1836 fois plus faible que celle du proton.

Son rayon ($r_e$) est d'environ $2,81\times10^{-31}\;m$.

2. Son nombre leptonique total $L$ et son nombre électronique $L_{\displaystyle e}$ sont égaux à $1$.

Chaque nombre leptonique est conservé séparément.

3. Son spin est égal à $1/2$.

Son moment magnétique de spin est approximativement égal au magnéton de Bohr ($\mu_B=9,274 009 49(80)×10^{-24}\;JT^{-1}$).

4. Son isospin faible est égal à :

• $T_3=-1/2$ pour l'électron gauche ;
• $T_3=0$ pour l'électron droit.

Son neutrino possède un $T_3=+1/2$.

Son hypercharge faible est de $Y^W=-1$ pour l'électron gauche et de $Y^W=-2$ pour l'électron droit.

5. Sa parité $\mathcal P$ est $+1$.

6. Sa durée de vie est $>2,1\times10^{36}$ s, c'est-à-dire supérieur à l'âge de l'univers ($13,77\pm0,059$ milliards d'années ou $4,34\times10^{17}$ s).

7.L'antiparticule de l'électron est le positron, de charge électrique $e^+$.

Leur rencontre produit leur l'annihilation (cf. animation) :

• à basse énergie, elle produit deux photons, quelquefois plus ;
• à haute énergie, elle produit des photons ($\gamma$) ou d'autres bosons $W$ ou $Z$ qui produisent des fermions et leurs antiparticules (cf. animation).

Nobre d'électrons

1. Le nombre d'électrons varie suivant les atomes.

• Dans un atome, le nombre d'électrons correspond au nombre de protons ou nombre atomique (Z), ce qui veut dire que cet atome est électriquement neutre.

• 

  L'hydrogène " classique " ¹H possède 1 proton et 1 électron. Le deutérium ²H (1 proton, 1 neutron) et le tritium ³H (1 proton, 2 neutrons) sont des isotopes, mais possède toujours le même nombre d'électron et de proton.

2. Les ions sont des atomes ou groupes d'atomes qui ont gagné ou perdu un ou plusieurs électrons et possèdent donc une charge positive ou négative (chapitre spécial).

Orbitales et spin-orbitales

Généralités

Les électrons sont situés sur des orbitales atomiques (cf. chapitre spécial sur les orbitales et les spin-orbitales) : chaque fois qu'il saute d'une orbite à l'autre, il émet un photon (cf. configuration électronique)

1. En mécanique quantique, dans le modèle de l'atome de Bohr, l'électron peut être entièrement défini par un jeu de quatre nombres quantiques, les nombres quantiques " intrinsèques ", nommé case quantique.

• $n$, nombre quantique principal, définit la taille et l'énergie de l'orbitale.
• $\ell$, nombre quantique du moment angulaire orbital (secondaire ou azimutal), qualifie les sous-couches et définit la forme et la symétrie de l'orbitale.
• $m_\ell$, nombre quantique magnétique, définit l'orientation des orbitales.
• $s$, nombre quantique de spin, définit le moment angulaire intrinsèque des électrons.

La fonction d'onde est une densité de probabilité de présence à valeur complexe.

• On a seulement une certaine probabilité de trouver un électron dans un certain volume, d'où la notion de nuage électronique.
• On peut aussi en déduire que trouver un électron a un endroit déterminé est nul, ce qui confirme le principe d'incertitude.

2. Selon le principe d'exclusion de Pauli pour les fermions, deux électrons appartenant à un même atome ne peuvent avoir leurs quatre nombres quantiques identiques.

Caractéristiques des électrons

1. Un électron de valence est un électron situé :

• soit sur la dernière couche électronique, la plus éloignée du noyau, i.e. donc le nombre quantique principal $n$ est le plus élevé (nombre correspondant nombre de la colonne du tableau périodique) ;
• soit sur une couche incomplètement remplie.

Remarque : on peut facilement connaître les électrons de valence pour les éléments simples par le tableau périodique, groupe 1, 1 électron de valence, 2, 2e, 13 à 18, 3e à 8e sauf l'hélium qui n'en possède que deux.

La notation de Lewis d’un atome est décrite donné par son symbole chimique entouré par son ou ses électrons de valence symbolisés par des points.

Elle permet aussi de symboliser les liaisons covalentes ou les liaisons ioniques.

2. Un électron est dit célibataire s'il est seul dans une orbitale.

3. Deux électrons sont dits appariés, appelés aussi doublet électronique ou paire de Lewis s'ils partagent la même orbitale.

Leurs nombres quantiques ne pouvant être identiques, ils sont de spin opposé.

4. Un électron de coeur est un électron situé dans une couche complètement remplie (sauf les sous-couches d et f).

Une sous-couche pleine est très stable d'après les règles de Hund.

Fermions