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Au cœur de la matière : les atomes (1/4)
Au fil des années et des siècles, cette volonté de comprendre l’origine du monde a contribué à considérer l’atome comme un objet physique par les physiciens. Cette “petite unité de matière” a permis de faire un grand pas dans la compréhension de notre univers et est encore au centre de nombreuses recherches, mais elle n’a pas dit son dernier mot.
Mis à jour le mars 2011
L'atome
- Au cœur de la matière : les atomes
- Eléments chimiques et isotopes
- Les quatre interactions fondamentales
- La physique nucléaire
Historique
- Dès le Ve siècle avant Jésus-Christ, Leucippe, puis Démocrite, nomment “atome” (du grec “atomos” qui ne peut être coupé) cette “petite unité de matière”, éternelle, illimitée et constamment en mouvement rapide.
- Il faudra attendre plus de 2 500 ans pour approfondir cette connaissance. En 1897, Joseph John Thomson découvre l’un des composants de l’atome, l’électron. En 1904, il imagine que les atomes sont des sphères remplies d’une substance électriquement positive et fourrée d’électrons négatifs.
- En 1911, un savant anglais, Ernest Rutherford, voit que des particules projetées sur de la matière la traversent comme si c’était du vide, sauf quelques-unes, très rares qui sont déviées ou même rebondissent comme des balles de fusil tirées contre une large et haute haie recelant quelques billes d’acier. Il découvre ainsi le noyau atomique qui concentre presque toute la masse de l’atome dans un volume cent mille fois plus petit que ce dernier.
- On trouve ensuite que la charge électrique positive du noyau est portée par plusieurs corpuscules, les protons. Et, en 1932, James Chadwick découvre le neutron, constituant neutre du noyau. Lorsqu’il est seul, il se désintègre en proton et en électron, lorsqu’il est à l’intérieur du noyau atomique, il est stable.
- En 1969, des physiciens bombardent des noyaux avec un faisceau de particules (des électrons) suffisamment accélérées pour pénétrer au cœur des nucléons. Et l’histoire de Rutherford se répète au sein même du nucléon, certains électrons rebondissent de façon apparemment bizarre. Ce ne peut être que sur des corpuscules encore plus petits. Ainsi sont découverts les quarks. Chaque nucléon en contient trois.
- La dernière découverte est celle du quark. Peut-être un jour découvrira-t-on des particules encore plus petites à l’intérieur des quarks ! Mais il faudra disposer d’accélérateurs de particules encore plus puissants. Plus on veut voir petit, plus le “microscope” doit être gros.
L’atome de lithium représenté a trois protons, quatre neutrons et trois électrons. On ne peut pas donner la position exacte des trois électrons dans le “nuage électronique” de l’atome de lithium. Dans cette représentation, les électrons se trouvent, de façon plus probable, dans les zones les plus foncées. Cette image est le résultat de formules mathématiques.
LA COMPOSITION DES ATOMES
Les planètes, l’air, l’eau, les pierres, les êtres vivants… tous les corps de la nature sont constitués à partir d’atomes ou d’assemblages d’atomes (molécules…). Contrairement à son étymologie, l’atome n’est pas indivisible. Comment est-il constitué ?
Un atome est composé :
- d’un noyau central qui est un assemblage de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons constituent les nucléons (du mot grec “nucleus” signifiant noyau) ;
- d’un nuage périphérique composé d’un cortège d’électrons, qui tournent à des vitesses prodigieuses autour du noyau. Il est impossible de vraiment se représenter leurs trajectoires : seules des formules mathématiques permettent de prédire dans le nuage qu’ils forment autour du noyau, les zones où l’on a le plus de chances de les rencontrer.
LES TAILLES D'UN ATOME ET DE SON NOYAU
Le diamètre du nuage électronique sphérique de l’atome est de l’ordre de 10-10 mètre. Cette taille est vraiment minuscule. Pour atteindre un centimètre, il faudrait aligner 100 millions d’atomes.
Le noyau est encore beaucoup plus petit. Il occupe une sphère d’un diamètre de 10-15 mètre en moyenne, soit près de 100 000 fois plus petite que l’atome avec son nuage d’électrons.
est vide. »
LA MASSE DE L'ATOME
Dans l’atome, la masse n’est pas répartie de façon homogène. Les protons et les neutrons ont à peu près la même masse, mais ils sont environ 2 000 fois plus lourds qu’un électron, si bien que le noyau concentre quasiment toute la masse de l’atome et que la matière dont est fait un noyau est un million de milliards de fois plus dense que la matière ordinaire. Si tous les noyaux de la Terre venaient à se toucher, notre planète aurait à peine plus de cent mètres de diamètre et un grain de sable pèserait plus d’une tonne. Pour estimer la masse d’un noyau, il suffit donc de connaître son nombre de nucléons (appelé aussi nombre de masse). Sachant que la masse d’un nucléon est d’environ 1,67.10-27 kg, il est facile de calculer une masse approximative d’un atome. Cependant, le résultat du calcul n’est qu’une estimation (voir dossier pédagogique L’énergie nucléaire : fusion et fission).
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LA CHARGE ÉLECTRIQUE DE L'ATOME
Des trois éléments constituant l’atome, seul le neutron ne porte pas de charge électrique, il est neutre, d’où son nom. Un proton porte une charge positive et un électron, une charge négative. Un atome dans son état normal comprend autant de protons que d’électrons. Il est donc électriquement neutre. Cependant, dans certaines conditions (réactions chimiques…), l’atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons et peut alors être chargé positivement ou négativement.Il est alors appelé ion.