How big is Électron (classique)?

Un électron est une minuscule particule de charge électrique négative, présente dans tous les atomes, en dehors de leur noyau. Aucune expérience n'a permis de lui trouver une taille : dans tous les tests réalisés jusqu'ici, il se comporte comme un point. Les 5,64 femtomètres indiqués ci-dessus correspondent au double du rayon classique de l'électron, une valeur issue de la physique classique, non quantique, plutôt que d'une mesure. Un femtomètre est un millionième de milliardième de mètre (10⁻¹⁵ mètre).

Taille

Le rayon classique de l'électron est d'environ 2,82 femtomètres. Il provient d'une formule qui fait intervenir la charge et la masse de l'électron ainsi que la vitesse de la lumière, mais rien de la physique quantique. C'est à peu près la taille que devrait avoir une sphère portant la charge de l'électron pour que l'énergie de son champ électrique soit égale à l'énergie de masse de l'électron, l'énergie donnée par E = mc².

De 1989 à 2000, le grand collisionneur électron-positron (LEP) du CERN a fait entrer en collision des électrons et des positrons, des particules de même masse que l'électron mais de charge opposée. Une analyse de ces collisions publiée en 2000 n'a trouvé aucun signe que les électrons aient une taille. Si l'électron a un rayon, il est inférieur à 2,8 × 10⁻¹⁹ mètres, soit environ un dix-millième du rayon classique de l'électron. Un article de 2025 continue de donner cette valeur comme la meilleure limite issue de ce type de collisions.

Comparaisons de taille

La valeur indiquée, 5,64 femtomètres, correspond à environ 10 000 fois la plus grande largeur que les expériences de collision autorisent pour un électron, 5,6 × 10⁻¹⁹ mètres.
Selon la valeur classique, un électron serait plus de trois fois plus large qu'un proton, qui mesure environ 1,7 femtomètre de diamètre, même si un proton a une masse 1 836 fois supérieure à celle de l'électron.
D'après la limite expérimentale, en revanche, un proton est au moins 3 000 fois plus large qu'un électron.
Un noyau d'hélium, d'environ 3,4 femtomètres de diamètre, mesure à peu près 6 000 fois la plus grande largeur autorisée pour un électron.
Si un proton était agrandi à la taille d'un ballon de basket, un électron à la même échelle mesurerait au plus 0,08 millimètre de diamètre, pas plus large qu'un cheveu fin.

Pourquoi le rayon classique est encore utilisé

Le rayon classique de l'électron n'est pas une taille, mais reste un nombre utile. Lorsque la lumière ou d'autres ondes électromagnétiques frappent un électron libre, celui-ci les diffuse comme s'il s'agissait d'une petite sphère solide d'à peu près ce rayon. Les physiciens s'en servent pour calculer avec quelle intensité les électrons diffusent ce rayonnement, un phénomène appelé diffusion Thomson.

La découverte de l'électron

Le physicien britannique J. J. Thomson a identifié l'électron en 1897, au laboratoire Cavendish de l'université de Cambridge. Il étudiait les rayons cathodiques, un type de rayons intrigant qui se propagent dans des tubes de verre dont on a pompé presque tout l'air. Il a montré que ces rayons portaient une charge négative et pouvaient être déviés par des champs électriques et magnétiques.

D'après l'ampleur de cette déviation, Thomson a établi que le rapport entre leur masse et leur charge était inférieur au millième de celui d'un atome d'hydrogène chargé. Il a proposé que ces rayons étaient des flux de minuscules fragments d'atomes, qu'il a appelés corpuscules. On les appelle aujourd'hui des électrons.