Dans les conditions physiques qui règnent sur la Terre, les atomes représentent l'élément de base stable dont est formée la matière, et leurs propriétés déterminent celles de la matière.

Dans les conditions physiques qui règnent sur la Terre, les atomes représentent l'élément de base stable dont est formée la matière, et leurs propriétés déterminent celles de la matière. L'évolution, en un siècle, de nos connaissances sur ces structures et ces propriétés est considérable et représente une des plus belles réussites de la science. Ce qui n'était qu'un objet de spéculation a acquis une réalité que plus personne ne met en doute. Mais si l'atome dans son ensemble commence à être bien connu, ses structures ultimes, celles aussi bien des électrons que des constituants du noyau, ont encore maints secrets à dévoiler. La notion d'atome est très ancienne, mais longtemps elle ne fut proposée que pour satisfaire une logique philosophique, sans aucune justification de nature scientifique.Le Grec Démocrite, puis le Latin Lucrèce considéraient que l'idée de matière partageable à l'infini était inacceptable. Il devait donc exister une limite au-delà de laquelle le partage n'était plus possible ; cette limite est l'atome, dont le nom, en grec, signifie « indivisible «. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats atomisme Démocrite Lucrèce Un long parcours scientifique Ce n'est qu'au XVIIIe siècle, avec Antoine de Lavoisier, puis au cours du XIXe siècle que la notion d'atome commença à émerger sur des bases scientifiques, lorsque les chimistes identifièrent des « éléments « simples qui se combinaient entre eux suivant des proportions définies et constantes pour donner des composés, eux-mêmes décomposables en ces éléments. La notion d'atome s'imposa lentement, mais personne ne fut en mesure de dire quelles étaient la dimension et la structure d'un atome. L'existence de charges électriques libres de signes opposés avait fait naître l'idée que les atomes étaient formés de particules chargées, mais aucune preuve directe de leur existence n'avait été fournie jusqu'à la découverte de l'électron, principalement par Joseph John Thomson, en 1897, qui sut en mesurer la charge et la masse. Le concept d'un noyau atomique renfermant l'ensemble des charges positives ne prit corps qu'avec l'étude de la radioactivité a, dont Ernest Rutherford montra en 1904 qu'elle était formée de noyaux d'hélium. Avec un noyau portant une charge positive et des électrons négatifs beaucoup plus légers tournant autour, le modèle de Rutherford reproduisait le schéma newtonien du système solaire. Cependant, il ne rendait pas compte de la plupart des propriétés, de plus en plus finement décrites, des atomes. Il était en outre en contradiction avec l'électrodynamique de James Clerck Maxwell. Le modèle de Niels Bohr (1913), qui tenait compte de l'introduction par Max Planck et Albert Einstein de la notion de quantification, était satisfaisant d'un point de vue quantitatif, mais, d'une part, il ne s'appliquait qu'aux atomes à un seul électron, à l'hydrogène en particulier, et, d'autre part, la quantification se trouvait introduite de façon empirique, sans réelle justification. La version améliorée de Bohr-Sommerfeld restait un modèle semi-classique dont les physiciens, autour de 1925, ressentaient toutes les lacunes. Ce n'est qu'après la découverte du spin de l'électron et du principe d'exclusion de Pauli, et après l'avènement de la mécanique quantique, à partir de 1926, qu'un modèle satisfaisant de l'atome émergea, tenant compte des interactions des électrons entre eux et avec le noyau. Les grandes découvertes faites au cours des années trente en physique nucléaire permirent ensuite de construire un modèle du noyau, formé de protons et de neutrons. Si la structure électronique des atomes est aujourd'hui, sinon connue, du moins approchée avec une très grande précision, celle des noyaux, malgré l'existence de modèles sophistiqués, garde encore suffisamment de mystères pour justifier un travail de recherche expérimentale autour d'accélérateurs de moyenne puissance construits à cet usage (par exemple le Ganil). Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats accélérateur de particules - Utilisations des accélérateurs alpha (particule) Bohr Niels charge électrique Einstein Albert électron élément - 1.CHIMIE exclusion (principe d') hydrogène Joliot-Curie Lavoisier (Antoine Laurent de) Maxwell James Clerk neutron noyau - 2.PHYSIQUE nucléaire (physique) Pauli Wolfgang physique - De l'Antiquité au XVIe siècle - La physique grecque Planck Max Karl Ernst Ludwig proton quanta (théorie des) quantique (mécanique) radioactivité - La structure du noyau Rutherford of Nelson Ernest sciences (histoire des) - La matière - L'atome des chimistes, objet de mesures Sommerfeld Arnold spin Thomson (sir Joseph John) Les médias atome - Déjà dans l'Antiquité atome - constituants et constantes atomiques Les atomes dans l'Univers L'origine des atomes. La matière contenue dans l'Univers s'y trouve depuis le big-bang, mais la composition chimique a changé et continue d'évoluer. On admet que la matière primitive était principalement formée d'hydrogène et d'hélium. Sous l'effet des réactions de fusion thermonucléaire qui se déroulent dans les étoiles, des éléments plus lourds se sont formés et ont été dispersés à la suite de l'explosion de certaines de ces étoiles (supernova). L'Univers s'enrichit donc progressivement en éléments lourds au détriment de l'hydrogène et de l'hélium. Le système solaire s'étant formé alors que l'Univers avait déjà dix milliards d'années, la Terre s'est constituée à l'aide d'un échantillonnage à peu près complet des atomes stables ou peu instables existants. Les éléments les plus abondants sur Terre sont probablement le fer, le nickel, le magnésium et le silicium. Cette abondance relative ne reflète nullement celle des éléments dans l'ensemble de l'Univers. Elle est la conséquence des conditions physicochimiques dans lesquelles l'ensemble du système solaire, puis les planètes se sont formés. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats astres - Vie et mort de quelques étoiles big-bang hélium hydrogène nucléosynthèse supernova thermonucléaire (fusion) Univers - La structure de l'Univers Les nouveaux atomes. En plus des atomes naturellement présents sur Terre, l'homme a synthétisé, depuis cinquante ans, un certain nombre de nouveaux atomes. Tous les éléments ainsi créés sont instables, ce qui explique qu'on ne les trouve pas spontanément. En plus des atomes formés des mêmes constituants que les atomes naturels, on a aussi fabriqué des atomes « exotiques «, dans lesquels certains constituants fondamentaux (protons et électrons) sont remplacés par des particules différentes ayant la même charge. On a ainsi fait des atomes d'hélium dans lesquels un électron est remplacé par un muon, qui a la même charge électrique que l'électron, mais une masse deux cents fois plus grande. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats électron hélium proton stabilité Complétez votre recherche en consultant : Les livres atome - structure de différents atomes, page 441, volume 1 atome - les états d'énergie, page 442, volume 1 Les électrons Mis à part la radioactivité, toutes les propriétés de la matière à la surface de la Terre sont dues aux électrons qui entourent les atomes. Structure en couches et nombres quantiques. Le calcul par la mécanique quantique de l'atome d'hydrogène montre que les états possibles de l'électron sont caractérisés par un ensemble de nombres appelés nombres quantiques : le nombre quantique principal n peut prendre toutes les valeurs entières positives, et l'énergie de l'ensemble noyau-électron est entièrement déterminée par la valeur de n ; le nombre quantique azimutal l peut prendre, pour chaque valeur de n, les n valeurs 0, 1, ..., n -1 ; le nombre quantique magnétique m peut prendre, pour chaque valeur de l, les 2l+1 valeurs -l,-l +1, ..., 0, ... l -1, l ; le nombre quantique de spin s peut prendre les deux valeurs L'expression de l'énergie de l'atome d'hydrogène donnée par la mécanique quantique , expression dans laquelle me = 9,109534 . 10-31 kg est la masse de l'électron, e = 1,602218 . 1 0 -19 C est la charge de l'électron, h = 6,6261 . 1 0 -34 J . s est la constante de Planck,et p0 = 8,854 . 10-12 . C 2 . J-1 . m -1 est la permittivité du vide, particulièrement simple et ne faisant intervenir que le nombre n, est identique à celle qu'avait trouvée Bohr dès 1913, à l'aide de son modèle semi-classique. Pour n = 1, l'énergie Ee vaut -13,6 eV. Pour les atomes comprenant un plus grand nombre d'électrons, le calcul devient beaucoup plus complexe, et il n'existe pas d'expression simple de l'énergie. Néanmoins, on continue à classer les états électroniques à l'aide des mêmes nombres quantiques n, l, m , s. Le principe d'exclusion, ou principe de Pauli, exprime l'impossibilité pour deux électrons d'un même atome d'avoir le même ensemble de nombres quantiques. Chaque élément, caractérisé par son nombre Z d'électrons, a donc, dans son état d'énergie la plus basse (état fondamental), une structure électronique bien définie, où les électrons sont rangés par énergie croissante. On appelle « couche atomique « l'état quantique défini par n, « sous-couche « l'état défini par n et l, et « orbitale « l'état défini par n, l et m. Chaque orbitale peut être occupée par deux électrons ayant pour s les valeurs et . Traditionnellement, on désigne par les lettres K, L, M, N, etc., les couches correspondant à n = 1, 2, 3, 4, etc., et par s, p, d, f , g, etc., les sous-couches correspondant à l = 0, 1, 2, etc. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats couche électronique électron exclusion (principe d') hydrogène niveau d'énergie orbitales atomiques et moléculaires Pauli Wolfgang Planck Max Karl Ernst Ludwig quantique (mécanique) spin La classification périodique. Quand on range les atomes par valeurs croissantes de leur nombre d'électrons, on constate que des propriétés chimiques identiques apparaissent avec une certaine périodicité dans le tableau des éléments de Mendeleïev. Étant donné que les propriétés chimiques dépendent presque exclusivement des électrons externes, c'est-à-dire ceux de la dernière sous-couche remplie, on peut mettre en relation cette périodicité avec l'ordre dans lequel se remplissent couches et sous-couches. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats classification périodique des éléments électron Mendeleïev Dmitri Ivanovitch Émission de rayonnement et spectroscopie. Lorsqu'on chauffe ou qu'on excite électriquement des atomes, ils émettent un rayonnement formé de raies dont les longueurs d'onde, très bien définies et caractéristiques des atomes excités, s'étendent du mètre (ondes hertziennes) à l'angström (rayons X). C'est grâce à l'analyse minutieuse de ces spectres que la plupart des propriétés électroniques des atomes ont été découvertes et ont pu être expliquées. En effet, chaque raie d'un spectre correspond à la transition entre deux états électroniques de l'atome émetteur, et l'énergie que porte la lumière émise, égale à sa fréquence multipliée par la constante h de Planck, est très précisément égale à la différence d'énergie entre ces deux états. Il existe donc une relation rigoureuse entre toutes les raies d'un spectre et tous les états d'énergie de l'atome émetteur. Ces spectres constituent également une signature permettant l'identification de l'élément dont ils proviennent. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats électron émission Planck Max Karl Ernst Ludwig radioastronomie rayonnement rayonnement - Le rayonnement électromagnétique rayonnement - Le rayonnement thermique rayonnement - Le rayonnement thermique - Introduction spectre thermoélectronique (émission) Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats chimie - Le symbolisme chimique Les livres atome - diffraction des électrons par les atomes d'un cristal cubique de nickel, page 443, volume 1 atome - réplique en carbone de la surface d'un cristal de nickel, page 443, volume 1 atome - le diagramme de Kikuchi, page 443, volume 1 Le noyau Au centre de l'atome, occupant moins d'un millionième d'un milliardième du volume total, se trouve le noyau, qui porte la quasi-totalité de la masse et qui est chargé positivement. Les constituants. Chaque noyau est caractérisé par deux nombres entiers, le numéro atomique Z et la masse atomique A. Le plus simple de tous les noyaux, celui de l'hydrogène, correspond à Z = A = 1. Il est formé d'un seul nucléon, le proton, dont la charge positive est exactement l'opposé de celle de l'électron et dont la masse m p vaut 1,67263 . 10-27 kg. Pour tout autre noyau, A est supérieur à Z, ce qu'on interprète en disant qu'il contient A nucléons répartis en Z protons et A-Z neutrons. Le neutron est une particule non chargée dont la masse, voisine de celle du proton, vaut 1,67493 . 10-27 kg. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats neutron nucléon proton Les modèles. Les données expérimentales acquises sur les noyaux, obtenues surtout par bombardement avec des particules suffisamment énergétiques pour les traverser, montrent qu'ils sont en général sphériques ou en forme ellipsoïdale de ballon de rugby. La densité de la matière nucléaire est constante à l'intérieur du noyau et sa valeur varie peu d'un noyau à l'autre. Sous l'effet de collisions, les noyaux peuvent se déformer, se mettre à vibrer et même se fragmenter. Le modèle le plus simple qu'on puisse donner du noyau est celui d'une goutte de liquide ayant une tension superficielle. Ce modèle rend assez bien compte de la forme sphérique, de la densité et des déformations des noyaux, mais il n'explique pas d'autres propriétés, par exemple la stabilité et la forme ellipsoïdale. On a donc proposé d'autres modèles, dont celui en couches, inspiré de la structure électronique, dans lequel chaque nucléon occupe un état défini par les valeurs de ses nombres quantiques. Cependant, les nouveaux modèles doivent pouvoir expliquer l'existence de deux sortes de nucléons et des forces qui les attirent entre eux, qui doivent vaincre les forces électriques répulsives qui existent entre les protons. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats nucléaire (physique) Isotopes et stabilité. À une espèce chimique donnée, caractérisée par sa structure électronique, donc par Z, correspondent plusieurs noyaux différant entre eux par le nombre de neutrons, les isotopes de cette espèce. L'hydrogène est formé en grande majorité de l'isotope 1, dont le noyau est un unique proton, mais il contient une faible proportion de deutérium, isotope dont le noyau contient un proton et un neutron. La chimie nucléaire a su fabriquer l'isotope 3 instable, le tritium, dont le noyau contient un proton et deux neutrons. À chaque élément correspond un nombre plus ou moins grand d'isotopes, naturels ou artificiels, stables ou instables, la règle générale étant que les plus stables sont ceux pour lesquels A est égal à 2 Z (il y a autant de neutrons que de protons). Cette règle n'est plus valable pour les valeurs élevées de Z : l'isotope le plus stable de l'uranium contient 92 protons et 146 neutrons. La stabilité des noyaux tient au fait que, en se groupant pour former un noyau, les nucléons forment un état lié dont l'énergie est inférieure à la somme de leurs énergies individuelles. Cette différence se manifeste par une « perte de masse « : la masse du noyau est inférieure à la somme des masses des nucléons. Cette perte de masse n'est pas constante tout au long de la classification des éléments. Elle est nulle pour l'hydrogène (Z = 1) et maximale pour le fer (Z = 26). Elle décroît pour les valeurs de Z supérieures à 26. Cela explique pourquoi on libère de l'énergie soit en fusionnant des atomes légers (fusion nucléaire), soit en cassant des atomes lourds (fission). Il existe une spectroscopie nucléaire comme il existe une spectroscopie électronique. Elle renseigne sur les états excités de la matière nucléaire, que l'on sait obtenir en envoyant sur des noyaux des projectiles, en général d'autres noyaux, ayant acquis dans des accélérateurs l'énergie suffisante pour pénétrer dans les noyaux cibles. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats accélérateur de particules - Utilisations des accélérateurs deuton fission isotope neutron nucléaire (physique) nucléon proton stabilité thermonucléaire (fusion) tritium uranium Les médias fission Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats chimie - Le symbolisme chimique interaction noyau - 2.PHYSIQUE nuclide radioactivité - La structure du noyau radioactivité - Radioactivité naturelle et radioactivité artificielle Atomes et matière Aux températures basses qui existent à la surface de la Terre, les atomes ont en général tendance à s'associer soit entre atomes identiques, soit entre atomes différents, pour former des molécules. La stabilité de celles-ci réside dans l'existence de liaisons chimiques dans lesquelles un nouvel état électronique est réalisé, auquel participent des électrons provenant des différents atomes impliqués et dont l'énergie est en général inférieure à celle des constituants isolés. Bien qu'il y ait moins de cent sortes d'atomes, les combinaisons que l'on peut réaliser sont presque infinies. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats liaison chimique molécule Complétez votre recherche en consultant : Les livres atome - production symétrique de matière et d'antimatière, page 440, volume 1 Les indications bibliographiques B. Cagnac et J.-C. Pebay-Peyroula, Physique atomique, Dunod, Paris, 1983. Th. Kahan, la Structure des atomes : physique des basses énergies, PUF, « Que sais-je ? «, Paris, 1979. B. Pullman, l'Atome dans l'histoire de la pensée humaine, Fayard, Paris, 1995. L. Valentin, Noyaux et particules, Hermann, Paris, 1989.