Les applications qui découlent des propriétés des électrons sont nombreuses et diversifiées dans les pays industrialisés. Plusieurs phénomènes lumineux, tels l'émission laser, la réflexion optique et le rayonnement cyclotron, sont causés par des électrons en mouvement. Les faisceaux d'électrons servent au soudage, à la lithographie de semi-conducteurs et permettent de créer le rayonnement synchrotron. Le microscope électronique se décline en plusieurs variantes, dont ceux à transmission et à balayage. Plusieurs liaisons chimiques sont des partages d'électrons. D'autres applications découlent des propriétés des électrons.

Interaction de la lumière et des électrons

thumb|upright|Une lampe à incandescence. Le passage d'un courant électrique dans le filament, la ligne presque horizontale au centre, provoque son échauffement, ce qui crée de la lumière par incandescence. thumb|upright|alt=Une ampoule à vide en verre, avec un faisceau circulaire brillant à l'intérieur|Dans une ampoule remplie d'un gaz à basse pression, un faisceau d'électrons défléchis par un champ magnétique forme un cercle par effet cyclotron. La lueur provient de l'excitation des atomes gazeux prisonniers de l'ampoule.

L'incandescence apparaît dans les matériaux chauffés « On appelle « incandescence » l'état dans lequel un corps chauffé, naturellement incapable d'émettre de la lumière, devient lumineux » ().. Cette émission de lumière, provoquée par les changements d'orbitales des électrons dans l'atome, est mise à profit dans les lampes électriques par exemple. La luminescence est une émission de lumière qui survient à de relativement basses températures (les tubes fluorescents sont un exemple d'application) et est aussi une conséquence des changements d'orbitales des électrons dans l'atome.

L'effet laser, théorisé par Albert Einstein dans un article de 1916. Voir aussi l'article dans la revue Physikalische Zeitschrift, 1917, vol. 18, et dont la première mise en œuvre complète est probablement due à l'Américain Gordon Gould en 1958, est obtenu en stimulant les électrons des atomes. Au , les applications du laser sont variées et omniprésentes dans les pays industrialisés : lecteurs de code-barres, Lasik (chirurgie de la cornée), Laser Mégajoule (recherche militaire), ITER (recherche sur la production d'énergie par fusion nucléaire), soudage, télédétection par laser, imprimantes laser et traitements de certaines maladies cutanées. En 2004, en excluant les diodes lasers, environ ont été vendus pour une valeur de US$. La même année, environ de diodes lasers ont été vendues au prix global de US$. Le laser à électrons libres émet un rayonnement électromagnétique cohérent de haute brillance dans un grand domaine de fréquences, des micro-ondes aux rayons X mous. Il fait partie des machines à rayonnement synchrotron trouvant des usages en physique, en biologie, en géologie ou dans l'étude non destructive des œuvres d'art. L'effet maser, aussi théorisé par Albert Einstein en 1916 et approfondi de manière décisive par Charles Townes, Nikolaï Bassov et Alexandre Mikhaïlovitch Prokhorov, s'obtient également en stimulant les électrons des atomes.

Les électrons sont au cœur des tubes à rayons cathodiques, que l'on a très largement utilisés comme systèmes de visualisation dans les instruments de laboratoire, les écrans d'ordinateur et les postes de télévision. Les tubes électroniques utilisent le courant d'électrons pour manipuler des signaux électriques. Ils ont joué un rôle critique dans le développement de la technologie de l'électronique et sont largement supplantés par les dispositifs à semi-conducteurs, tel le transistor. Dans un tube photomultiplicateur, chaque photon absorbé par la photocathode déclenche une avalanche d'électrons qui produit une impulsion de courant détectable. Les capteurs photographiques utilisent l’effet photoélectrique : les photons incidents produisent des électrons libres au sein d’une matrice de détecteurs qui sont par la suite comptés lors de la lecture du capteur. Les applications en imagerie sont diverses (astronomie, observation militaire, photographie, cinématographie) dans des gammes de longueur d’onde allant de l’ultraviolet à l’infrarouge. Leur rendement et leur versatilité font qu’ils ont supplanté la plupart des usages de la pellicule photographique.

La diffusion Rayleigh, une interaction entre la lumière et les électrons, permet d'expliquer la couleur du ciel, et la couleur des plumes de certains oiseaux. La diffusion Compton trouve des applications en radiothérapie . La diffusion explique également la réflexion optique. Le miroir de beauté (dans la salle de bains) est probablement l'application la plus connue de la réflexion optique. Plusieurs types de télescopes comprennent des miroirs, tout comme les phares d'automobile, les phares maritimes et les antennes paraboliques. Sur la Terre, la transmission sans fil à grande distance est possible grâce à la réflexion des ondes hertziennes dans l'ionosphère.

La réfraction optique (et plus généralement des ondes électromagnétiques) peut conduire, en astronomie, à une erreur dans l'évaluation de la position angulaire réelle de l'astre observé. Le rayon vert s'explique par la réfraction atmosphérique et la dispersion optique. La biréfringence, provoquée par la réfraction, est à la base de la photoélasticimétrieEn anglais, est le terme utilisé pour la photoélasticimétrie. Pour approfondir le sujet, on peut lire par exemple . On peut aussi parcourir le site web : et des polariseurs (dont le Polarcor largement utilisé dans les télécommunications par fibre optique).

Quand un électron est accéléré, il peut rayonner de l'énergie sous forme de photons (lire en ligne) : . Ce rayonnement électromagnétique se manifeste sous la forme d'ondes radioélectriques (ou ondes radio), de micro-ondes, d'infrarouges, de lumière visible (les couleurs perçues par l'œil humain), d'ultraviolets, de rayons X ou de rayons gamma. Le rayonnement cyclotron trouve des applications en astronomie, car il permet d'étudier le champ magnétique entourant les corps célestesVoir par exemple :

. Le rayonnement synchrotron trouve des applications en biologie, en chimie et en physiqueVoir par exemple :

.

L'effet photovoltaïque est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur qui génère alors des paires électrons-trous créant une tension ou un courant électrique. Cet effet est notamment utilisé dans les panneaux solaires photovoltaïques.

Faisceaux de particules

thumb|left|alt=Un faisceau violet venant du haut produit une lueur bleue autour d'un modèle de la navette spatiale.|Pendant un test en soufflerie de la NASA, un modèle de la navette spatiale est visé par un faisceau d'électrons, simulant l'effet de gaz ionisants pendant la rentrée atmosphérique .

Les faisceaux d'électrons sont utilisés pour le soudage, qui permet des densités d'énergie jusqu'à sur une tache étroite de 0,1 à , et ce d'habitude sans métal d'apport. Cette technique de soudage doit être utilisée dans le vide pour éviter la diffusion du faisceau par le gaz avant son arrivée sur la cible. Elle peut aussi être utilisée pour souder des métaux très bons conducteurs de la chaleur, que l'on ne saurait pas souder autrement.

La lithographie à faisceau d'électrons est une méthode de gravure pour les semiconducteurs à une finesse meilleure que le micron. Cette technique est limitée par son coût élevé, sa lenteur, la nécessité de travailler sous vide et la tendance des électrons à diffuser dans le solide. Le dernier problème limite la finesse à environ . Pour cette raison, elle est utilisée principalement pour la production d'un petit nombre de circuits intégrés spécialisés.

Le traitement par faisceau d'électrons est utilisé pour l'irradiation des matériaux pour changer leurs propriétés physiques ou stériliser des produits à usage médical ou alimentaire. En radiothérapie, des faisceaux émanant d'accélérateurs linéaires servent au traitement des tumeurs superficielles. Comme un faisceau d'électrons ne pénètre qu'à une profondeur limitée avant d'être absorbé, typiquement pour des électrons dans la gamme de 5 à , la thérapie par faisceaux d'électrons est utile pour traiter des lésions de la peau comme le carcinome basocellulaire. Un tel faisceau peut être utilisé pour compléter le traitement de zones qui ont été irradiées aux rayons X.

C'est en 1932 qu'est mis en service le premier , dont les principes sont repris pour la mise au point des accélérateurs de particules. Grâce à leur perfectionnement continu pendant la première moitié du , les physiciens explorent toujours davantage les propriétés des particules subatomiques. En 1942, Donald Kerst est le premier à accélérer des électrons en utilisant l'induction électromagnétique. Le premier bêtatron de Kerst atteint une énergie de , alors que les derniers appareils de ce type atteignent .

En 1947, le rayonnement synchrotron est découvert grâce à un synchrotron à électrons de dans un laboratoire de la société General Electric. Ce rayonnement est provoqué par l'accélération des électrons jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière. Les accélérateurs de particules utilisent des champs électriques pour propulser les électrons et les positrons à haute énergie. Quand ces particules passent à une vitesse relativiste à travers des champs magnétiques, elles émettent un rayonnement synchrotron Chapitre d'un cours universitaire d'astrophysique (). . L'intensité de ce rayonnement dépend du spin, ce qui provoque une polarisation du spin du faisceau d'électrons . Ce rayonnement peut aussi être utilisé pour le « refroidissement »Cette expression est utilisée par analogie avec la définition de la température thermodynamique, par l'étalement moyen des énergies des constituants du système. des faisceaux d'électrons, c'est-à-dire pour diminuer les écarts moyens entre leurs énergies.

Avec une énergie de faisceau de , le premier collisionneur de particules à haute énergie est ADONE, qui commence à fonctionner en 1968. Cet appareil accélère des électrons et des positrons en sens inverse, ce qui fait plus que doubler l'énergie de leur collision, comparée à la collision de l'un des faisceaux avec une cible fixe. Le grand collisionneur électron-positron, plus connu sous son acronyme anglais LEP au CERN, qui a fonctionné de 1989 à 2000, a atteint des énergies de collision de et fourni des mesures importantes pour le modèle standard de la physique des particules.

thumb|upright=1.2|Image prise au microscope électronique à balayage de diverses sortes de pollens (fausses couleurs) : tournesol, volubilis, Rose trémière (Sildalcea malviflora), lys (Lilium auratum), onagre (Oenothera fruticosa) et Ricin commun (Ricinus communis). Image agrandie 500 fois : la particule verte en forme de grain de café dans le coin inférieur gauche mesure environ de long. thumb|upright=1.2|Schéma du procédé d'électrophotographie. 1. La haute tension ( ici) établie entre le photoconducteur et le tambour cylindrique provoque l'apparition d'un film électrostatique à la surface des deux, un négatif, l'autre positif. 2. La surface du photoconducteur est exposée à une lumière laser, ce qui repousse les charges illuminées des deux surfaces. 3. Du toner (encre en poudre) ou une encre liquide est répandue à la surface du photoconducteur. Seules les parties chargées retiennent l'encre. 4. Le papier, électrostatiquement chargé, est mis en contact avec le photoconducteur ; l'encre est attirée par le papier qui est ensuite chauffé et pressé pour fixer l'encre.

Microscopie