L'électron, un des composants de l'atome avec les neutrons et les protons, est une particule élémentaire qui possède une charge élémentaire de signe négatif. Il est fondamental en chimie, car il participe à presque tous les types de réactions chimiques et constitue un élément primordial des liaisons présentes dans les molécules. En physique, l'électron intervient dans une multitude de rayonnements et d'effets. Ses propriétés, qui se manifestent à l'échelle microscopique, expliquent la conductivité électrique, la conductivité thermique, l'effet Tcherenkov, l'incandescence, l'induction électromagnétique, la luminescence, le magnétisme, le rayonnement électromagnétique, la réflexion optique, l'effet photovoltaïque et la supraconductivité, phénomènes macroscopiques largement exploités dans les industries. Possédant la plus faible masse de toutes les particules chargées, il sert régulièrement à l'étude de la matière.
Le concept d'une quantité indivisible de charge électrique est élaboré à partir de 1838 par le naturaliste britannique Richard Laming afin d'expliquer les propriétés chimiques des atomes. L'électron est identifié comme le corpuscule envisagé par Joseph John Thomson et son équipe de physiciens britanniques en 1897, à la suite de leurs travaux sur les rayons cathodiques.
C'est à cette époque que Thomson propose son modèle atomique. En 1905, Albert Einstein propose une explication de l'effet photoélectrique qui servira d'argument en faveur de la théorie des quanta. En 1912, Niels Bohr explique les raies spectrales en postulant la quantification de l'orbite des électrons de l'atome hydrogène, autre argument soutenant cette théorie. En 1914, les expériences d'Ernest Rutherford et d'autres ont solidement établi la structure de l'atome comme un noyau positivement chargé entouré d'électrons de masse plus faible. En 1923, les résultats expérimentaux d'Arthur Compton convainquent une majorité de physiciens de la validité de la théorie des quanta. En 1924, Wolfgang Pauli définit le principe d'exclusion de Pauli, ce qui implique que les électrons possèdent un spin. La même année, Louis de Broglie émet l'hypothèse, vérifiée plus tard, que les électrons présentent une dualité onde-corpuscule. En 1928, Paul Dirac publie son modèle de l'électron qui l'amènera à prédire l'existence du positon puis de l'antimatière. D'autres études des propriétés de l'électron ont mené à des théories plus complètes de la matière et du rayonnement.
Histoire
thumb|left|alt=Gravure en noir et blanc. Deux hommes se tiennent debout face à un nuage chargé d'électricité|Une gravure montrant une scène fictive : l'homme à gauche maintient en l'air un cerf-volant censé recueillir de l'électricité des nuages. Benjamin Franklin se tient près du fil et un arc électrique lumineux apparaît entre son index et le fil. Illustration publiée en 1881.
Les anciens Grecs ont déjà remarqué que l'ambre attire de petits objets quand il est frotté avec de la fourrure ; en dehors de la foudre, ce phénomène est la plus ancienne expérience de l'humanité en rapport avec l'électricité, un déplacement de particules électriquement chargées.
En 1269, Pierre de Maricourt, un ingénieur militaire au service du prince français , étudie les propriétés des aimants permanents. Dans son traité de 1600 , le médecin anglais William Gilbert crée le mot latin « » pour désigner la propriété d'attirer les petits objets après frottement. Le mot « électrique » dérive de l'anglais , qui dérive lui-même du latin : . Le mot latin dérive du grec désignant l'ambre.
Francis Hauksbee dans les années 1700 et C. F. du Fay en 1737 découvrent indépendamment deux sortes d'électricité : l'une obtenue en frottant du verre et l'autre engendrée en frottant de la résine. Du Fay en conclut que l'électricité peut se réduire à deux fluides électriques, « vitreux » et « résineux », que l'on sépare par frottement, et que l'on peut recombiner ensemble. Une décennie plus tard, Benjamin Franklin soutient que l'électricité ne diffère pas des autres types de fluides électriques mais qu'il s'agit de la même chose, sous des pressions différentes. Il lui apporte la terminologie moderne de charge positive ou négative respectivement.
Entre 1838 et 1851, le naturaliste britannique Richard Laming développe l'idée qu'un atome est composé d'un noyau de matière, entouré de particules subatomiques qui ont une charge électrique unité. À partir de 1846, le physicien allemand Wilhelm Eduard Weber défend la théorie que l'électricité est composée de fluides chargés positivement et négativement, et qu'une loi en carré inverse régit leur interaction. Après avoir étudié l'électrolyse en 1874, le physicien irlandais George Stoney suggère qu'il existe : la charge d'un ion monovalent. Ce postulat lui donne la capacité d'estimer la valeur de cette charge élémentaire à partir des lois de l'électrolyse de Faraday. Cependant, Stoney croit que ces charges sont attachées de façon permanente aux atomes, et ne peuvent donc leur être enlevées. En 1881, le physicien allemand Hermann von Helmholtz est convaincu que les charges positives et négatives sont composées de parties élémentaires, chacune .
En 1894, Stoney invente le terme d'« électron » pour désigner ces charges élémentaires, écrivant . Le mot électron est une combinaison du mot « électrique » et du suffixe « -on », ce dernier étant par la suite utilisé pour désigner une particule subatomique, comme le proton ou le neutron.
Découverte
thumb|alt=Dessin d'un homme debout habillé d'un complet, avec lunettes et barbiche blanche, qui tient dans sa main un objet en verre.|William Crookes et son tube, ancêtre des tubes cathodiques, sont devenus notoires en Grande-Bretagne, comme en témoigne cette caricature publiée en 1902 par le journal satirique Vanity Fair. La légende de cette image était , ce qui signifie littéralement en latin. C'est une allusion religieuse (, la croix) et peut-être aussi un jeu de mots sur les escrocs () et les illuminés, car il s'est aussi intéressé au spiritisme.
Pendant le , les physiciens allemands Julius Plücker et Johann Wilhelm Hittorf étudient la conductivité électrique des gaz dans des ampoules de verre scellées munies d'une cathode et d'une anodePar exemple, les deux ont rapporté leurs observations sur les spectres lumineux dans qui permettent de soumettre le gaz à un courant électrique. En 1869, Hittorf observe l'émission, par la cathode, de chargées si l'ampoule contient un gaz à basse pression. En 1876, le physicien allemand Eugen Goldstein montre que les rayons de cette lueur provoquent une ombre, et il les appelle rayons cathodiques. Pendant les années 1870, le chimiste et physicien anglais William Crookes met au point le premier tube à rayons cathodiques avec un vide poussé à l'intérieur . Puis il montre que les rayons lumineux apparaissant dans le tube transmettent de l'énergie, et se déplacent de la cathode vers l'anode. De plus, en appliquant un champ magnétique, il est capable de défléchir les rayons, montrant ainsi que le faisceau se comporte comme s'il était chargé. En 1879, il propose d'expliquer ces propriétés par ce qu'il appelle . Il estime qu'il s'agit d'un quatrième état de la matière, consistant en molécules chargées négativement, projetées à grande vitesse de la cathode.
Le physicien britannique né allemand Arthur Schuster développe les expériences de Crookes en disposant des plaques métalliques parallèlement aux rayons cathodiques, par lesquelles il peut appliquer différents potentiels électriques. Le champ électrique défléchit les rayons vers la plaque chargée positivement, ce qui renforce la preuve que les rayons portent une charge négative. En mesurant la déflexion selon la différence de potentiel, Schuster est capable en 1890 de mesurer le rapport masse sur charge des composants des rayons. Cependant, son calcul donne une valeur plus de mille fois inférieure à la valeur attendue, si bien que les contemporains n'accordent que peu de confiance à son calcul. En 1895, le doctorant et futur physicien français Jean Perrin établit expérimentalement la nature corpusculaire de l'électron, alors que plusieurs scientifiques de cette époque considèrent l'électron comme une onde.
En 1896-1897, le physicien britannique Joseph John Thomson et ses collègues John Townsend et Harold A. Wilson réalisent des expériences indiquant que les rayons cathodiques sont effectivement des particules individualisées, plutôt que des ondes, des atomes ou des molécules comme les spécialistes le croient à l'époque. Thomson fait de bonnes estimations à la fois de la charge et de la masse , trouvant que les particules des rayons cathodiques, qu'il appelle « corpuscules », ont environ un millième de la masse de l'ion le plus léger connu alors : l'hydrogène. Il montre que le rapport charge sur masse est indépendant de la matière de la cathode. Il montre de plus que les particules chargées négativement produites par les matériaux radioactifs, les matières chauffées et les matières illuminées sont les mêmes. Son travail considérable sur la déflexion des rayons cathodiques dans un champ électrique est probablement la raison pour laquelle on lui attribue la découverte de l'électron. Le nom d'électron est proposé à nouveau par le physicien irlandais George F. Fitzgerald, cette fois avec succès. Historiquement, l'électron est la première particule élémentaire mise en évidence.
thumb|left|alt=Photo en noir et blanc de la tête d'un homme barbu.| Le physicien français Henri Becquerel, qui a découvert la radioactivité naturelle, montre en 1896 que les rayons bêta émis par le radium sont défléchis par un champ électrique. Photo prise avant 1908.
En 1900, Paul Drude propose de considérer l'ensemble des électrons d'un métal comme un gaz parfait. Il parvient alors à justifier théoriquement une conclusion expérimentale selon laquelle les bons conducteurs électriques sont aussi de bons conducteurs thermiques. Même si son hypothèse est fausse selon les connaissances actuelles, ce concept de est encore utilisé en mécanique quantique.
En étudiant les minéraux naturellement fluorescents, le physicien français Henri Becquerel découvre que ceux-ci émettent des rayonnements en l'absence de toute source d'énergie externe. Ces matériaux radioactifs provoquent l'engouement des scientifiques, y compris celui du physicien néo-zélandais Ernest Rutherford, qui découvre qu'ils émettent des particules. Il leur donne le nom de particules alpha, bêta et gamma, selon leur pouvoir de pénétration de la matière. En 1900, Becquerel montre que les rayons bêta émis par le radium sont défléchis par un champ électrique, et que leur rapport masse sur charge est le même que celui des rayons cathodiques. Ce résultat conforte l'idée que les électrons existent comme composants des atomes.
La charge de l'électron est mesurée de façon plus précise en 1909 par l'expérience de la goutte d'huile du physicien américain Robert Millikan, qui en publie les résultats en 1911. Cette expérience utilise un champ électrique pour compenser la pesanteur et empêcher ainsi une goutte d'huile chargée de tomber. Ce système permet de mesurer la charge électrique depuis quelques ions jusqu'à 150, avec une marge d'erreur de moins de 0,3 %. Des expériences comparables ont été faites plus tôt par le groupe de Thomson, en utilisant des brouillards de gouttelettes d'eau chargées par électrolyse et en 1911 par Abram Ioffé, qui a obtenu indépendamment le même résultat que Millikan en utilisant des microparticules de métal, et a publié ses résultats en 1913. Publication originale en russe : . Cependant, les gouttes d'huile, moins volatiles, se prêtent mieux à des expériences de longue durée.