Unatome (grec ancien ἄτομος [átomos], « insécable »)[1] est la plus petite partie d'uncorps simple pouvant se combinerchimiquement avec un autre. Les atomes sont les constituants élémentaires de toutes les substances solides,liquides ou gazeuses. Les propriétésphysiques etchimiques de ces substances sont déterminées par les atomes qui les constituent ainsi que par l'arrangement tridimensionnel de ces atomes.
Contrairement à ce que leur étymologie suggère, les atomes ne sont pas indivisibles, mais sont constitués departicules subatomiques[2]. Ils comprennent unnoyau, qui concentre plus de 99,9 % de leur masse, autour duquel se distribuent desélectrons, qui forment unnuage 10 000 à 100 000 fois plus étendu que le noyau lui-même[3],[4], de sorte que le volume d'un atome, grossièrement sphérique, est presque entièrement vide. Le noyau est formé deprotons, porteurs d'unecharge électrique positive, et deneutrons, électriquement neutres ; l'hydrogène fait exception, car le noyau de sonisotope1H ne contient aucun neutron. Les protons et neutrons, également appelésnucléons, sont maintenus ensemble dans le noyau par laliaison nucléaire, qui est une manifestation de l'interaction forte. Les électrons occupent desorbitales atomiques en interaction avec le noyauvia laforce électromagnétique. Le nuage électronique est stratifié en niveaux d'énergiequantifiés autour du noyau, niveaux qui définissent descouches et dessous-couches électroniques ; les nucléons se distribuent également selon descouches nucléaires, bien qu'un modèle approché assez commode popularise lastructure nucléaire d'après lemodèle de la goutte liquide.
Plusieurs atomes peuvent établir desliaisons chimiques entre eux grâce à leursélectrons. D'une manière générale, les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par leurconfiguration électronique, laquelle découle du nombre de protons de leur noyau. Ce nombre, appelénuméro atomique, définit unélément chimique. 118 éléments chimiques sont reconnus par l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) depuis le. Les atomes d'éléments différents ont des tailles différentes, ainsi généralement que des masses différentes, bien que les atomes d'un élément chimique donné puissent avoir des masses différentes selon lesisotopes considérés. Les atomes les plus lourds, ou dont le noyau présente un déséquilibre trop important entre les deux types de nucléons, tendent à devenir plus instables, et sont alorsradioactifs ; leplomb 208 est l'isotope stable le plus lourd.
Compte tenu de leur taille et de leur masse singulièrement réduites, les atomes sont toujours en très grand nombre dès qu'on manipule une quantité macroscopique de matière. On définit ainsi lamole comme étant laquantité de matière constituée par autant d'unités élémentaires (atomes,molécules,électrons, etc.) qu'il y a d'atomes dans 12 g decarbone 12, soit pas moins de 6,022 × 1023 unités élémentaires, ce qu'on appelle lenombre d'Avogadro.
Bien que son étymologie signifie « indivisible » engrec ancien, un atome est en réalité constitué departicules élémentaires plus petites, et peut donc être divisé ; mais il constitue bien la plus petite unité indivisible d'unélément chimique en tant que tel : en brisant, par exemple, un atome d'hélium, on obtiendra desélectrons, desprotons et desneutrons, mais on n'aura plus uncorps simple ayant les propriétés de l'hélium.
Leproton p+ est 1 836 fois plus massif que l'électron (1,672 6 × 10−27kg, soit938,27MeV/c2) et porte une charge électrique positive de mêmevaleur absolue que celle de l'électron, soit 1,602 × 10−19C.
Leneutron n0 est 1 838,5 fois plus massif que l'électron (1,674 9 × 10−27kg, soit939,57MeV/c2), et électriquement neutre.
Toutes ces particules connaissenta priori également l'interaction gravitationnelle, mais cette dernière n'a pas pu être intégrée aumodèle standard de la physique des particules ; son intensité à l'échelle atomique est, quoi qu'il en soit, insignifiante comparée à l'intensité des trois autres interactions.
Représentation schématique d'un puits de potentiel. L'énergieV( x ) requise pour occuper chaqueabscissex confine à l'intervalle [ x1, x2 ] toute particule pourvue de l'énergieE enordonnée.
L'essentiel des propriétés physiques et chimiques des atomes est dû à leur nuage électronique. C'est la compréhension de la nature et de la structure de ce nuage électronique qui a ouvert la voie à la compréhension de la structure de l'atome et,in fine, a conduit au développement de laphysique des particules.
L'électron manifeste, comme tout objetquantique, unedualité onde-corpuscule, en vertu de laquelle il se comporte tantôt comme uneparticule géométriquement délimitée occupant une position déterminée, tantôt comme uneonde susceptible de présenter, par exemple, des phénomènes d'interférences. Ces deux aspects de l'électron coexistent dans l'atome, bien que le modèle deSchrödinger soit exclusivement ondulatoire[7] :
un électron n'est jamais localisé à un endroit précis d'une trajectoire définie autour du noyau, mais distribué au sein d'uneorbitale atomique avec une probabilité de présence égale au carré de lanorme de safonction d'onde, laquelle est corrélée à sonétat quantique, ainsi qu'avec unephase d'électron : c'est l'aspect ondulatoire ;
cette distribution n'est pas statique, mais dynamique, en ce que l'électron est pourvu, au sein de son orbitale atomique stationnaire, d'unequantité de mouvement et d'unmoment angulaire orbital : c'est l'aspect corpusculaire.
Par conséquent, un électron ne peut pas « tomber sur lenoyau » comme un objet tombe par terre, car cela signifierait que l'extension spatiale de sa fonction d'onde serait réduite à un point, ce qui n'est le cas d'aucunefonction propre de l'équation de Schrödinger : cette dernière impose, au contraire, qu'un électron, au voisinage du noyau, se « dilue » dans un volume (uneorbitale) à la géométrie déterminée par lesnombres quantiques qui satisfont cette équation. On peut donc considérer qu'un électron dans un atomeest déjà tombé sur le noyau, dans la mesure où il est confiné dans son voisinage par le puits de potentiel électrostatique.
De surcroît, la fonction d'onde d'un électron n'est pas nulle à l'intérieur du noyau, bien que sa probabilité de s'y trouver soit faible, car le noyau est de taille très réduite comparée à celle des orbitales atomiques. Les fonctions d'ondes possibles pour les électrons d'un atome étant centrées sur le noyau, on peut donc dire que l'électron est en fait tombédans le noyau, bien qu'il ne s'y trouve que très rarement : du point de vuequantique, plusieurs particules peuvent en effet occuper le même espace en vertu de leur nature ondulatoire. Une façon imagée — mais approchée — de voir les choses est d'imaginer, par analogie, que lafonction d'onde de l'électron serait comme « diffractée » par le noyau atomique, ce qui lui donnerait différentes formes, selon son état quantique, par lesquelles la probabilité de présence de l'électron atteindrait son maximum en certaines zones plus ou moins éloignées du noyau — typiquement, plusieurs dizaines de milliers de fois le rayon nucléaire[8].
Leprincipe d'exclusion de Pauli stipule que deuxfermions appartenant au mêmesystème de fermions (ici, au même atome) ne peuvent avoir tous leurs nombres quantiques égaux en même temps. Ce principe est fondamental car il est à l'origine de laconfiguration électronique des atomes : les électrons qui « s'empilent » dans l'atome doivent avoir chacun unétat quantique distinct des autres, ce qui explique que toutes les orbitales atomiques sont progressivement occupées de la plus liée à la moins liée au noyau au fur et à mesure qu'on ajoute des électrons à l'atome ; c'est le principe d'Aufbau (« édification » en allemand) matérialisé par larègle de Klechkowski (appelée aussirègle deMadelung), qui sous-tend l'agencement dutableau périodique deséléments chimiques enblocs et enpériodes :
Sastructure électronique confère à l'atome ses propriétéschimiques etmagnétiques. Ainsi, leséléments chimiques sont communément classés dans untableau périodique organisé en fonction de leurs propriétés chimiques et dont l'agencement est en réalité déterminé par la distribution des électrons sur les niveaux d'énergie des atomes.
Le recouvrement de deux orbitales atomiques appartenant chacune à un atome distinct peut conduire à la formation d'uneorbitale moléculaire constituant uneliaison chimique entre deux atomes ; si les orbitales atomiques en recouvrement appartiennent au même atome, on dit qu'il y ahybridation.
Une orbitale moléculaire est diteliante lorsque lesphases d'électron des orbitales atomiques sont de même signe (interférence constructive) ; elle est diteantiliante lorsque les orbitales atomiques ont des phases de signe opposé (interférence destructive).
Protons etneutrons forment unnoyau atomique de dimensionfemtométrique. Le rayon nucléaire d'un atome dont lenombre de masse estA vaut environfm, alors que l'atome lui-même a un rayon de l'ordre de la centaine depicomètres (environ35 000 à 40 000fois plus grand). Les protons étant chargés positivement, ils se repoussent au sein du noyau, mais l'intensité de cette répulsionélectrostatique est très inférieure à celle de l'attraction entre nucléons induite par l'interaction nucléaire forte à des distances inférieures à 2,5fm.
La géométrie des noyaux atomiques est généralement sphérique, bien que certains noyaux stables suffisamment massifs adoptent également des formessphéroïdes étirées en ballon de rugby ou, au contraire, aplaties. Certains noyaux instables, ditsnoyaux à halo, sont caractérisés par un ou plusieurs nucléons aux fonctions d'ondes très distendues, qui donnent au noyau des contours flous et un volume apparent très augmenté ; ces noyaux ont une cohésion nucléaire à la limite extrême du champ d'action de l'interaction forte.
Dans lemodèle de la goutte liquide, les protons tendent à se repousser les uns les autres et, par conséquent, à se concentrer vers l'extérieur des noyaux (aux « pôles » ou à l'« équateur » dans le cas de sphéroïdes), tandis que les neutrons tendent à s'accumuler au centre du noyau. Des dizaines de modèles ont été proposés afin d'expliquer les données expérimentales sur la nature et la structure des noyaux atomiques, mais aucun, à ce jour, ne suffit seul à rendre compte de l'ensemble des observations[9].
Le volume nucléaire, estimé expérimentalement par des techniques de diffraction de faisceaux d'électrons, correspond à peu près à l'empilement desphères dures représentant lesnucléons, avec une densité nucléaire constante, ce qui se conceptualise très bien avec le modèle de la goutte liquide. Néanmoins, certaines propriétés quantiques de lastructure nucléaire semblent mieux décrites par lemodèle en couches, élaboré par les physiciens allemandsMaria Goeppert-Mayer etHans Daniel Jensen, qui ont obtenu leprix Nobel de physique en 1963 pour cette avancée. Leur modèle considère lesnucléons comme desfermions soumis auprincipe d'exclusion de Pauli et répartis sur desniveaux d'énergie quantifiés — les « couches nucléaires » — de façon similaire aux électrons à l'échelle de l'atome. Dans le noyau,protons etneutrons constituent deux populations de fermions distinctes vis-à-vis du principe d'exclusion de Pauli.
L'analogie avec les électrons a cependant ses limites, car, si les électrons interagissent entre eux et avec le noyauvia l'interaction électromagnétique, les nucléons interagissent entre eux essentiellementvia l'interaction nucléaire forte et l'interaction faible. Les niveaux d'énergie au sein du noyau ont ainsi une distribution différente de celle des niveaux d'énergie des électrons d'un atome. De plus, les phénomènes decouplage spin-orbite sont bien plus sensibles pour les nucléons que pour les électrons, ce qui redistribue les sous-couches nucléaires en fonction duspin (indiqué en indice dans le tableau ci-dessous)[10] :
La saturation d'une couche nucléaire confère aunoyau atomique une stabilité supérieure à celle calculée par laformule de Weizsäcker, issue dumodèle de la goutte liquide — ce qui n'est pas sans rappeler l'inertie chimique desgaz rares, caractérisés par la saturation de leursous-couche électroniquep périphérique. Le nombre de nucléons d'une population donnée correspondant à la saturation d'une couche nucléaire est appelé « nombre magique » ; le noyau duplomb 208, qui est le plus lourd desisotopes stables, est ainsi constitué de 82protons et 126neutrons : 82 et 126 sont deux nombres magiques, ce qui explique la stabilité de ce nucléide par rapport à ceux qui n'en diffèrent que d'un ou deux nucléons.
Chimie et physique se rejoignent sur ce point, de sorte que les notions relatives à ces deux domaines dessciences se recouvrent à leur sujet. Ainsi, enphysique nucléaire, on appellenucléide unnoyau atomique défini par un nombre déterminé deprotons et deneutrons, terme souvent confondu avec la notion équivalente d'isotope, qui relève davantage de lachimie.
Unélément chimique se définit comme l'ensemble des atomes et desions dont lenoyau comporte un nombre donné deprotons. Ce nombre est lenuméro atomique, notéZ, de l'atome ou de l'élément chimique correspondant. Ainsi, tous les atomes n'ayant qu'un seul proton dans leur noyau(Z = 1) correspondent à l'élément chimiquehydrogène. Il en existe trois variétés principales : leprotium1H, couramment appeléhydrogène (seul nucléide stable dépourvu de neutron), ledeutérium2H (stable, dont le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron), letritium3H (radioactif, dont le noyau est constitué d'un proton et de deux neutrons). Ces nucléides sont desisotopes, car leur noyau compte le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.
La classification des atomes suit celle des éléments chimiques, dont les propriétés chimiques — mais aussi physiques — présentent une périodicité découverte auXIXe siècle et à l'origine dutableau périodique des éléments. On emploie indifféremment les termesisotope stable etnucléide stable,radioisotope etradionucléide, ou encoreélément superlourd etatome superlourd.
Cette propriété est mise à profit enimagerie par résonance magnétique (IRM), fondée sur larésonance magnétique nucléaire (RMN) : un matériau soumis d'une part à unrayonnement électromagnétique, et d'autre part à unchamp magnétique intense (de l'ordre dutesla) qui oriente les noyaux atomiques dans une direction privilégiée (mais en les séparant en deux populations correspondant aux deux sens de cette direction), absorbe une partie du rayonnement électromagnétique à une fréquence déterminée par lerapport gyromagnétique du noyau ciblé, ce qui permet de déterminer parspectroscopie la concentration spatiale de ce noyau — typiquement dans le domaine desradiofréquences pour les champs magnétiques ne dépassant pas 20 T.
Laliaison nucléaire est généralement décrite comme une manifestation résiduelle entrenucléons de l'interaction nucléaire forte qui maintient ensemble lesquarks constituant les nucléons. L'énergie de liaison nucléaire est définie comme l'énergie nécessaire pour arracher un nucléon quelconque au noyau considéré. Elle est de l'ordre de quelquesmégaélectron-volts par nucléon, partant de 0 (par définition) pour leprotium1H pour atteindre7,57MeV/A avec l'uranium 238 en passant par un maximum à8,795MeV/A pour lenickel 62[11]. Cette propriété fondamentale explique pourquoi ce sont uniquement les atomes légers qui libèrent de l'énergie parfusion nucléaire tandis que ce sont uniquement les atomes lourds qui libèrent de l'énergie parfission nucléaire :
lafusion nucléaire survient lorsque desnucléons ou des noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau atomique plus gros. Si l'énergie de liaison nucléaire parnucléon est plus élevée dans le nouveau noyau, il y a libération d'énergie : c'est le cas dans lesétoiles jusqu'aunickel 56, au niveau duquel s'arrête lanucléosynthèse stellaire ; le56Ni étant instable, il se désintègre enfer 56, qui est stable. La nucléosynthèse ne se poursuit pas au-delà du nickel car lenucléide qui serait alors formé, le60Zn, a une énergie de liaison nucléaire par nucléon inférieure à celle du56Ni, et sa formation consommerait de l'énergie au lieu d'en libérer : c'est essentiellement tout à la fin de vie des étoiles, même de taille modeste, et particulièrement lors de l'explosion ensupernovae des grosses étoiles, que leséléments plus lourds que lefer et lenickel sont formés ;
lafission nucléaire n'est autre que l'éclatement d'un noyau atomique en au moins deux morceaux plus petits, avec libération de neutrons (car les noyaux légers sont proportionnellement moins riches en neutrons que les noyaux lourds). Si l'énergie de liaison nucléaire parnucléon est plus faible dans le noyau initial que dans lesproduits de fission alors il y a libération d'énergie : c'est le cas pour les noyaux plus massifs que ceux dunickel 62 ; l'uranium et leplutonium, par exemple, sont dans ce cas.
Toute transition d'un état du système vers un autre requiert uneénergie d'activation, fournie, dans le cas des noyaux atomiques, par les fluctuations duvide quantique. Lorsque de telles fluctuations suffisent à faire basculer un noyau atomique d'un état donné vers un état d'énergie inférieure, ce noyau est dit instable : on a affaire à unradionucléide. Jusqu'aucalcium (Z = 20), leséléments chimiques ont desisotopes stables pour lesquels le nombreN deneutrons est à peu près égal au nombreZ deprotons, tandis qu'au-delà deZ = 20 le ratioN/Z tend vers 3/2. Lesisotopes instables, appeléradioisotopes, connaissent unedésintégration radioactive qui leur permet de se rapprocher d'un état de plus grande stabilité.
Laradioactivité désigne l'ensemble des phénomènes physiques par lesquels unnucléide instable réorganise sa structure nucléaire afin de gagner en stabilité. Ces phénomènes dedésintégration radioactive peuvent être les suivants :
désintégration β : il en existe plusieurs variantes, la principale étant l'émission d'unélectron et d'unantineutrino électronique par unneutron converti enproton sous l'effet de l'interaction faible (désintégration β−) ; ceci concerne les noyaux riches en neutrons. La réaction inverse est également possible : émission d'unpositron et d'unneutrino électronique par un proton converti en neutron (désintégration β+) ; ceci concerne les noyaux riches en protons. Lacapture électronique est une autre forme de désintégration β+, qui survient lorsqu'un électron interagit avec un proton du noyau pour former un neutron avec émission d'un neutrino électronique ; le noyau résultant se trouve alors dans unétat excité. Les phénomènes dedouble désintégration β (le48Ca donnant du48Ti) etdouble capture électronique (le78Kr donnant du78Se par exemple) sont particulièrement rares, car ils impliquent respectivement deux neutrons et deux protons simultanément ;
émissionγ : le noyau atomique se trouve dans un état excité, un ou plusieurs de ses nucléons occupant desniveaux d'énergie supérieurs à ceux de l'état fondamental : un ou plusieursphotons γ sont émis au cours de la relaxation du noyau. Ceci est observé notamment lors d'unetransition isomérique (le99mTc donnant du99Tc, par exemple) ;
fission spontanée : un gros noyau atomique « explose » en au moins deux fragments plus petits, avec émission de neutrons. Ce type de désintégration est observé notamment lorsque le ratioZ2/A est au moins égal à 45 (c'est par exemple le cas du252Cf) ;
conversion interne : unisomère nucléaire retombe à sonétat fondamental en transférant son énergie d'excitation à un électron de son nuage électronique en vertu de la probabilité non nulle qu'un tel électron se trouve dans le noyau.
Certaines théories extrapolent les résultats dumodèle en couches et les propriétés desnombres magiques en prédisant l'existence d'unîlot de stabilité parmi lesnucléides superlourds, pour un nombre magique de184 neutrons et — selon les théories et les modèles —114,120,122 ou126 protons. Une approche plus moderne de la stabilité nucléaire montre toutefois, par des calculs fondés sur l'effet tunnel, que, si de tels noyaux superlourds doublement magiques seraient probablement stables du point de vue de lafission spontanée, ils devraient cependant connaître desdésintégrations α avec unepériode radioactive de quelques microsecondes[12],[13],[14] Un îlot de relative stabilité pourrait néanmoins exister autour dudarmstadtium 293, correspondant aux nucléides définis parZ compris entre104 et116, etN compris entre 176 et 186 : ceséléments pourraient avoir desisotopes présentant despériodes radioactives atteignant quelques minutes.
Le plus lourd desnucléides synthétisés jusqu'à présent est l'isotope294Og[15],[16],[17],[18],[19] et les recherches se poursuivent auGSI afin de produire l'isotope302120. On ignore précisément jusqu'à combien denucléons unnoyau atomique peut contenir : on estime habituellement la limite d'observabilité expérimentale à environZ ≈ 130[20] et la limite théorique à Z = 173 : un174eproton (ouneutron) conférerait à la couche nucléaire 1s1/2 une énergie de−511keV, égale à la masse au repos d'unélectron ou d'unpositron ; un tel noyau serait donc instable par rapport à ladésintégration β[21],[22].
Au-delà des valeurs numériques, qui ne doivent être vues ici que comme indicatives, ce tableau permet d'illustrer deux tendances :
en descendant le long d'ungroupe dutableau périodique des éléments, la taille des atomes augmente en raison de l'occupation d'orbitales atomiques denombre quantique principaln croissant, qui correspond à des électrons de moins au moins liés au noyau et donc de plus en plus étendues spatialement ;
en parcourant unepériode (ligne du tableau) de gauche à droite, la taille des atomes diminue en raison de l'attraction croissante dunoyau atomique, de plus en plus chargé positivement, qui limite l'extension spatiale des orbitales atomiques, chargées négativement, en les rapprochant du noyau.
Laréactivité chimique des atomes dépend du nombre d'électrons qu'ils possèdent dans leurssous-couches électroniques périphériques (sous-couchess etp) — lesélectrons de valence. En vertu de larègle de l'octet, chaque atome tend en effet à atteindre un état où ses sous-couchess etp périphériques sont saturées d'électrons : deux électrons dans la sous-couches et six électrons dans la sous-couchep. Par exemple, l'hydrogène n'a qu'un unique électron dans sa sous-couche 1s, de sorte qu'il s'associe avec un autre atome pour acquérir le second électron qu'il manque à cette sous-couche pour être saturée : on dit que l'hydrogène estmonovalent. L'oxygène, lui, a quatre électrons dans sa sous-couche 2p, et s'associe donc avec deux autres atomes pour acquérir les deux électrons qui manquent à cette sous-couche pour être saturée : l'oxygène est doncdivalent. Lecarbone, ayant deux électrons dans sa sous-couche 2p, esttétravalent. Lesgaz rares les plus légers tels que l'hélium et lenéon, avec respectivement deux électrons dans la sous-couche 1s et six électrons dans la sous-couche 2p, sont à peu près inertes chimiquement car leur configuration électronique est déjà saturée d'électrons de valence — mais il existe unechimie des gaz rares concernant les gaz rares plus lourds, qui présentent une réactivité chimique non nulle en raison de l'écrantage dunoyau par lesélectrons de cœur qui rend les électrons périphériques plus mobilisables.
Un autre type de liaison chimique s'observe dans lesmétaux : laliaison métallique. Les atomes métalliques ont en effet la propriété, lorsqu'ils s'assemblent, de faire apparaître, par recouvrement de leurs orbitales atomiques périphériques, une « bande de conduction » qui peut être occupée par des électrons délocalisés (on parle « d'aromaticité métallique ») issus des orbitales les moins liées de ces atomes ; laconductivité électrique des métaux résulte du fait qu'il existe un nombre bien plus élevé de configurations électroniques possibles (on parle dedensité d'états électroniques) qu'il y a d'électrons dans cette bande de conduction, de sorte que ces derniers y constituent un « gaz d'électrons ».
Des atomes appartenant à des molécules distinctes peuvent également interagir avec leur nuage électronique autrement que par liaison covalente ou ionique. Ainsi, un atome d'halogène déficitaire en électrons et facilement polarisable peut former uneliaison halogène avec les atomes ougroupements fonctionnels riches en électrons, tels que des dérivés oxygénés ou azotés. De même, une molécule ayant un atome d'hydrogène acide peut former une liaison faible (de 5 à20kJ/mol) avec un atome électronégatif ayant desdoublets non liants. Enfin, l'interaction des moments dipôlaires de deux atomes est à l'origine de laforce de van der Waals, dont la force est du même ordre de grandeur que celle de laliaison hydrogène.
Compte tenu de leur configuration électronique, certains atomes auront davantage tendance que d'autres à attirer des électrons en formant desliaisons chimiquescovalentes. Cette propriété est appelée l'électronégativité d'un atome. Elle dépend en premier lieu de leurnuméro atomique et, corrélativement, de l'intensité de la liaison entre lenoyau atomique et desélectrons de valence. Elle est généralement évaluée à l'aide de l'échelle de Pauling, du nom deLinus Pauling qui la mit au point en 1932[24]. D'autres méthodes d'évaluation donnent des résultats légèrement différents, mais toutes révèlent les mêmes tendances à travers letableau périodique.
La lecture de ce tableau permet de dégager deux tendances principales :
lorsqu'on parcourt de haut en bas unecolonne du tableau, l'électronégativité diminue car les électrons de valence sont séparés du noyau par un nombre croissant desous-couches électroniques et sont donc de moins en moins liés à lui, d'où une affinité d'intensité décroissante ;
lorsqu'on parcourt de gauche à droite unepériode du tableau, l'électronégativité est minimale à gauche et maximale à droite ; cela provient du fait que lesalcalins ont plutôt tendance à perdre un électron qu'à en gagner pour acquérir laconfiguration électronique d'ungaz rare, tandis que leshalogènes ont fortement tendance à gagner un électron pour saturer leursous-couchep et acquérir la configuration électronique d'un gaz rare.
Le cas des gaz rares eux-mêmes est particulier car les plus légers d'entre eux sont chimiquement inertes, une véritablechimie des gaz rares n'existant que pour lekrypton et, surtout, lexénon — leradon est tropradioactif pour présenter une chimie significative.
L'électronégativité n'est pas une notion atomique absolue, mais plutôt une propriété chimique relative aux atomes engagés dans une liaison avec d'autres atomes. La propriété atomiquestricto sensu correspondant à l'électronégativité est appeléeaffinité électronique et correspond à l'énergie libérée par l'adjonction d'unélectron à un atome neutre pour former unanion. Il s'agit donc d'unegrandeur physique mesurable, contrairement à l'électronégativité.
Les valeurs représentées par unastérisque dans le tableau ci-dessus sont voisines de zéro d'après l'interprétationquantique de laconfiguration électronique des atomes correspondants. On note que l'affinité électronique ne présente pas la périodicité régulière de l'électronégativité, mais qu'elle est tout de même la plus élevée pour leshalogènes et sensiblement plus faible pour lesmétaux alcalins et, surtout,alcalino-terreux.
Comme lesnucléons, les électrons possèdent unspin, analogue à unmoment angulaire, intrinsèque à chaque électron, auquel se superpose un moment angulaire orbital, représenté par lenombre quantique secondaire, généré par la distribution probabiliste de l'électron dans son orbitale atomique, qui s'assimile à un « mouvement ». Ces deux moments angulaires se combinent pour constituer unchamp magnétique autour de l'atome. Lorsque deux électrons occupent unecase quantique de l'atome, ils ont chacun un spin opposé en vertu duprincipe d'exclusion de Pauli, ce qui annule le moment angulaire résultant ; mais les atomes et lesions qui ont un nombre impair d'électrons ont par conséquent unmoment magnétique résultant non nul provenant du spin de leurs électrons.
Les matériauxferromagnétiques ont la particularité d'orienter dans la même direction les moments magnétiques de leurs atomes parinteraction d'échange, ce qui crée unchamp magnétique macroscopique : c'est le cas, par exemple, de lamagnétite Fe3O4. Certains matériaux orientent au contraire les moments magnétiques de leur atomes dans des directions alternativement opposées, ce qu'on appelle « antiferromagnétisme ».
Les matériauxparamagnétiques révèlent leur magnétisme intrinsèque uniquement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, qui aligne le moment magnétique de leurs atomes tant qu'il est présent (susceptibilité magnétique positive) ; dès que ce champ magnétique extérieur cesse d'être appliqué, la magnétisation d'un matériau paramagnétique disparaît. Les atomes ayant des électrons non appariés dans leurssous-couchesd etf ont des propriétés magnétiques intenses car ces électrons sont fortement localisés ; en particulier, leslanthanides font desaimants particulièrement puissants en raison de leur moment magnétique induit par jusqu'à sept électrons non appariés — notamment lenéodyme et lesamarium. Il existe une méthode d'analysespectroscopique sous champ magnétique analogue à larésonance magnétique nucléaire (RMN) qui fait intervenir le spin des électrons au lieu de celui desnoyaux : larésonance paramagnétique électronique (également appelée de façon plus propre « résonance de spin électronique »).
Lediamagnétisme, quant à lui, est un phénomène assez général dû au moment angulaire orbital des électrons et non au spin de ces derniers, qui consiste en l'apparition d'un champ magnétique de direction opposée à tout champ magnétique extérieur ; c'est un phénomène généralement de faible intensité, hormis quelques cas particuliers tels que, par exemple, l'or, lemercure, lebismuth et surtout les matériauxsupraconducteurs (effet Meissner).
Un électron d'un atome peut êtreexcité par absorption d'unphoton incident, ce qui le fait occuper uneorbitale atomique d'énergie supérieure à celle de sonétat fondamental. De nombreusesmoléculesaromatiques ou présentant desliaisons πconjuguées sont susceptibles d'être ainsi excitées simplement par éclairage ; leur relaxation vers l'état fondamental se traduit alors par l'émission d'un ou plusieurs photons, selon deux mécanismes distincts :
lafluorescence consiste en l'émission, par un atome excité, d'un photon d'énergie inférieure au photon incident et correspondant exactement à la différence d'énergie entre l'état excité de l'électron et son état fondamental. Il s'agit par conséquent d'un phénomène quasi instantané, la durée de vie de l'état excité des matériaux usuellement employés pour leurs propriétés fluorescentes étant de l'ordre de 0,5 à 20 ns : la fluorescence cesse donc dès que l'éclairage cesse. Lalongueur d'onde émise est supérieure à celle de la lumière absorbée, ce qui permet par exemple d'obtenir des effets esthétiquement intéressants par éclairageultraviolet de matériaux fluorescents émettant dans lespectre visible ;
laphosphorescence diffère de la fluorescence en ce que la relaxation fait intervenir unétat triplet[c] entre les deuxétats singulets que sont l'état excité et l'état fondamental. Un électron excité dans un état singulet peut passer facilement dans un état triplet parconversion intersystème, mais s'y trouve alors « piégé » car il ne peut rejoindre l'état fondamental singulet qu'à travers des transitions « interdites » ; ces dernières sont néanmoins possibles du point de vuequantique, notamment grâce à descouplages spin-orbite, mais demeurentcinétiquement très défavorisées, ce qui explique que la phosphorescence soit un phénomène pouvant persister pendant, parfois, plusieurs heures.
L'interaction d'atomes avec unrayonnement électromagnétique peut également se traduire par l'apparition de raies d'absorption ou d'émission à certaineslongueurs d'onde particulières sur unspectre par ailleurs continu. Ces longueurs d'onde correspondent à l'énergie de transition entrecouches électroniques etsous-couches électroniques : lorsqu'un atome est atteint par un photon ayant une énergie égale à l'une de ces transitions entre niveaux d'énergie électroniques, un électron peut absorber ce photon et passer à un niveau d'énergie supérieur, laissant une longueur d'onde déficitaire en photons, ce qui se matérialise dans le spectre par une raie d'absorption.
Chaque atome, chaqueion, et même chaquemolécule ouradical libre, possède ainsi une signature spectrale caractéristique, très employée par exemple enastrophysique pour détecter leur présence et déterminer leur concentration dans lemilieu interstellaire, voire l'espace intergalactique : la disposition des raies spectrales, leur éventuel décalage (décalage vers le rouge), leur largeur, leur netteté et leur éventuelle séparation en plusieurs composantes (ce qu'on appelle leurstructure fine) sont ainsi des paramètres riches d'informations sur le milieu traversé par le rayonnement analysé entre sa source et sa détection par les instruments despectroscopie.
Exemple de spectre d'absorption.
La présence d'unchamp magnétique dans le milieu analysé peut être détectée pareffet Zeeman, qui scinde une raie spectrale unique en trois composantes ou davantage, en raison de l'interaction du champ magnétique ambiant avec lemoment magnétique despin des électrons de l'atome : si plusieurs configurations électroniques partagent le même niveau d'énergie en l'absence de champ magnétique, cela cesse d'être le cas lorsqu'un champ magnétique est appliqué et chacune de ces configurations électroniques acquiert un niveau d'énergie légèrement différent des autres, leur multiplicité devenant alors visible sur le spectre d'absorption.
La présence d'unchamp électrique peut être détectée dans le spectre de la même façon, cette fois en raison de l'effet Stark.
Lavitesse radiale du milieu étudié par rapport à l'observateur peut être déterminée par le décalage des raies spectrales vers le rouge (éloignement) ou vers le bleu (rapprochement) pareffet Doppler-Fizeau : c'est un résultat très utile enastronomie pour évaluer la distance d'un objet à partir de sonredshift en appliquant laloi de Hubble.
Lampe à plasma, objet de décoration très en vogue dans les années 1980. La lumière est émise lors de la recombinaison desélectrons avec lescations duplasma, soulignant le phénomène de filamentation du courant dans le globe.
Lamatière baryonique peut exister à l'état solide,liquide ougazeux selon sa température et sa pression : les transitions entre ces états surviennent à des niveaux de température et de pression directement en rapport avec les propriétés des atomes et de leurs arrangements moléculaires qui constituent chaque matériau. Les états solide et liquide sont qualifiés d’états condensés, tandis que les états liquide et gazeux sont qualifiés d’états fluides. Lescristaux liquides (unemésophase) sont un état intermédiaire entre solide et liquide.
Il existe par ailleurs desétats de la matière moins courants surTerre et qui dérivent des précédents :
lescondensats de Bose-Einstein sont des gaz debosons (les atomes sont aussi des bosons) piégés dans un puits de potentiel et refroidis à une température très proche duzéro absolu : dans ces conditions, une grande partie des bosons occupe l'état quantique de plus faible énergie dans le puits de potentiel, de sorte que leursfonctions d'onde se recouvrent au point de révéler à l'échelle macroscopique des effets quantiques ponctuels (à l'échelle de l'atome) inobservables à température plus élevée ;
Les atomes constituent environ 4 % de l'énergie totale observable de l'univers, avec une concentration moyenne d'un atome pour quatre mètres cubes[27]. Dans lemilieu interstellaire d'unegalaxie telle que laVoie lactée, la concentration d'atomes varie selon les régions entre cent mille et un milliard d'atomes par mètre cube, bien que l'environnement immédiat duSoleil soit bien plus ténu : à peine cinquante mille atomes par mètre cube, ce qui définit précisément labulle locale comme une cavité dans le milieu interstellaire formée par l'explosion desupernovas voisines il y a deux à quatre millions d'années[28]. Lesétoiles se forment à partir de nuages denses, et les réactions defusion nucléaire qui se déroulent en leur sein conduisent à la formation d'éléments chimiques plus lourds que l'hydrogène, l'hélium et lelithium produits à la suite duBig Bang.
Plus de 95 % des atomes de la Voie lactée se trouvent dans les étoiles, et les atomes « visibles » de notre galaxie représentent environ 10 % de sa masse : le reste de cette masse serait constitué d'une mystérieusematière noire.
Dans les premières minutes de l'existence de l'univers, les quatre éléments les plus légers se sont formés au cours de lanucléosynthèse primordiale : environ 75 % d'hydrogène1H, 25 % d'hélium4He, 0,01 % dedeutérium2H, et des traces (de l'ordre de 10-10) delithium7Li. Cette nucléosynthèse aurait été trop brève pour permettre la synthèse d'éléments plus lourds que lelithium et pour permettre la fusion dudeutérium. Les atomes proprement dits, avec leur nuage électronique, se seraient formés lors de larecombinaison, environ 377 000 ans après leBig Bang, et les premiersquasars etétoiles se seraient formés après 150 millions d'années.
À ce stade, la fusion cesse d'être exothermique et des réactions nécessitant un milieu très énergétique interviennent pour former les éléments plus lourds :capture neutronique (processusr,processuss), protonique (processusrp), etphotodésintégration (processusp), qui interviennent tout à la fin de vie des étoiles, même peu massives, et surtout lors de l'explosion desupernovas.
Sous certaines conditions, il est possible d'exciter des atomes, par exemple avec unlaser à colorant, pour placer certains de leurs électrons dans desorbitales atomiques correspondant à unnombre quantique principaln égal à plusieurs dizaines d'unités, voire supérieur à 100[31]. De tels atomes sont appelésatomes de Rydberg. Ils ont des propriétés remarquables, telles qu'une très grandesusceptibilité électrique etmagnétique[32], une relative stabilité, et desfonctions d'ondeélectroniques approchant, dans une certaine mesure, l'orbite décrite par un électron en mécanique classique autour dunoyau. Lesélectrons de cœur écrantent lechamp électrostatique du noyau du point de vue de l'électron périphérique, pour lequel le potentiel du noyau est identique à celui d'un atome d'hydrogène[33]. Le comportement de cet électron particulier est particulièrement bien décrit par lemodèle de Bohr, pourtant très insuffisant pour modéliser les atomes « conventionnels ».
Les atomes de Rydberg ont une taille très supérieure à celle des atomes à l'état fondamental : l'état d'excitation jusqu'àn = 137 d'un atome d'hydrogène correspond à un rayon atomique d'environ 1 μm, soit cinq ordres de grandeur au-dessus du rayon d'un atome d'hydrogène à l'état fondamental (n = 1). Ils ne peuvent exister dans le milieu naturel terrestre car leurénergie d'ionisation y est bien inférieure à l'énergie thermique, mais représentent une partie importante de la matière dumilieu interstellaire, où ils peuvent persister longtemps sans interaction avec d'autres atomes ni avec deschamps électriques oumagnétiques susceptible de provoquer leur retour à l'état fondamental. Laraie spectrale à 2,4 GHz révélatrice de la transition denombre quantique principal entren = 109 etn = 108 de l'atome d'hydrogène est ainsi très fréquemment observée par lesastronomes[34].
Compte tenu de leursusceptibilité électrique etmagnétique très élevée, les propriétés électriques et magnétiques des milieux contenant une proportion significative d'atomes de Rydberg sont sensiblement altérées par leur présence.
Différentes formes d'atomes exotiques ont été conjecturées, et parfois observées. C'est le cas, par exemple, des atomes muoniques, dans lesquels unélectron est remplacé par unmuon : ce dernier étant plus massif qu'un électron, il présente des orbitales plus proches du noyau, ce qui donne des « atomes » plus petits. De la même façon, un électron peut être remplacé par unhadron, tel qu'unméson, uneparticule Σ−, voire unantiproton. Le seul atome exotique ayant une durée de vie significative — qui n'excède cependant pas 2,2 μs — est lemuonium, résultant de l'interaction d'un électron avec unmuon μ+ servant de « noyau ». Ces formes d'atomes sont utiles pour vérifier certains aspects dumodèle standard de laphysique des particules, notamment lesinteractions élémentaires.
L'interaction d'unpositron avec unantiproton donne un atome d'antihydrogène, qui est un atome d'antimatière. Il existea priori un « antiatome » pour chaque atome ; la production d'antimatière demeure néanmoins une expérience particulièrement coûteuse en énergie, et seul l'antihydrogène1H a été synthétisé à ce jour.
Il existe également tout une variété d'atomes « conventionnels » mais néanmoins absents du milieu naturel et donc produits artificiellement. Ceséléments synthétiques sont, à deux exceptions près[35], destransuraniens, qui sont de plus en plus instables à mesure que leurnuméro atomique augmente.
La notion d'atome est particulièrement bien admise par le grand public, pourtant, paradoxalement, les atomes ne peuvent pas être observés par des moyens optiques et seuls quelques rares physiciens manipulent des atomes isolés. L'atome est donc un modèle essentiellement théorique. Bien que ce modèle ne soit plus aujourd'hui remis en cause, il a beaucoup évolué au cours du temps pour répondre aux exigences des nouvelles théories physiques et rendre compte des résultats expérimentaux obtenus au fil du temps.
Il est possible que diverspeuples aient développé la notion de « grain composant la matière », tant ce concept peut sembler évident lorsque l'on morcelle une motte de terre, ou en regardant une dune. Dans lacultureeuropéenne, ce concept apparaît pour la première fois dans laGrèce antique auVe siècle av. J.-C., chez lesphilosophesprésocratiques, notammentLeucippe (environ460-370 av. J.-C.),Démocrite et plus tardÉpicure. La théorieatomiste sera ensuite magnifiquement exposée par le RomainLucrèce dans son œuvreDe rerum natura, qu’il résume en affirmant que « les corps premiers sont [...] d’une simplicité impénétrable, et forment un ensemble homogène et étroitement cohérent de particules irréductibles [...] dont la nature ne permet pas qu’on puisse encore rien retrancher ni soustraire[36]. » Un des arguments majeurs développé par les atomistes est la permanence de l'univers qui suggère l'existence d'objets ultimement insécables rendant nécessaire une certaine quantité d'énergie pour disséquer la matière. Dans le cas contraire, toute énergie non nulle suffirait à dégrader la matière et userait l'univers qui prendrait peu à peu la forme de poussières impalpables. L'univers étant pensé ancien par les Grecs, cette idée d'une continuité de la matière était donc incompatible avec la stabilité du monde observée[37].
Il s'agit d'une conception du monde qui fait partie de la recherche des principes de la réalité, recherche qui caractérise les premiersphilosophes : on suppose que la matière ne peut être divisée indéfiniment, qu'il y a donc une conservation des éléments du monde, qui se transforment ou se combinent selon des processus variés. La décomposition du monde en quatreéléments (eau,air,terre,feu) peut donc compléter cette thèse. L'atomisme est une solutionconcurrente[Quoi ?], qui naît de l'opposition de l'être et du néant : l'atome est une parcelle d'être qui se conserve éternellement, sans quoi les choses finiraient par disparaître. Les atomes sont indivisibles ; ils composent la matière comme les lettres composent les mots. Ce fut sans doute un tournant philosophique majeur, à l'origine dumatérialisme et de la séparation de la science et de lareligion. Cependant, même si l'empirismeépicurien tente d'établir cette hypothèse sur des basesscientifiques, l'atome demeure une intuition sans confirmation.
Depuis des millénaires, on a remarqué que les produits se transforment : lefeu, lamétallurgie, lacorrosion, lavie, lacuisson des aliments, ladécomposition de lamatière organique, etc. Par exemple, pourEmpédocle, les transformations de lamatière s'expliquaient de la manière suivante : il y avait quatre types d'éléments (eau, air, terre, feu) qui s'associaient et se dissociaient, en fonction de l'amour ou de la haine qu'ils se portaient — les fameux « atomes crochus ». Au Moyen Âge, lesalchimistes ont étudié ces transformations et remarqué qu'elles suivent des règles bien précises. Vers1760, des chimistesbritanniques commencent à s'intéresser aux gaz produits par les réactions, afin d'en mesurer le volume et de les peser. Ainsi,Joseph Black,Henry Cavendish etJoseph Priestley découvrent différents « airs » (c'est-à-dire gaz) : l'« air fixe » (ledioxyde de carbone), l'« air inflammable » (ledihydrogène), l'« air phlogistiqué » (lediazote), l'« air déphlogistiqué » (ledioxygène)… (Le terme « phlogistique » provient de la théorie du chimiste allemandGeorg Ernst Stahl, au début duXVIIIe siècle, pour expliquer la combustion ; cette théorie fut balayée parLavoisier.)
Antoine Lavoisier énonce en que[d] :« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » (formulé d'une manière légèrement différente à l'époque) signifiant par là que :
la masse se conserve pendant les réactions chimiques. Les scientifiques avaient observé que si l'on pesait la matière solide avant et après la combustion, on avait une variation de masse ; ceci provient d'un échange avec l'air (l'oxygène s'incorpore et alourdit, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau s'en vont et allègent). Il suffit pour s'en rendre compte de faire brûler dans une cloche fermée, et de peser la cloche en entier, somme solide et gaz (compris) : la masse totale ne change pas ;
les substances se décomposent en « éléments », c'est l'organisation de ces éléments qui change lors d'une réaction.
Cette observation marque la naissance de lachimie. Les scientifiques commencent donc à recenser les éléments dont sont composées toutes les substances et à créer une nomenclature systématique — oxygène : qui produit des acides (ὀξύς /oxús signifie « piquant » en grec) — hydrogène : qui produit de l'eau… Par exemple, en, Lavoisier, en suivant les travaux des chimistes britanniques, établit que l'air se compose d'« air vital » (dioxygène) et d'« air vicié et méphitique, mofette » (diazote) ; en, il décompose l'eau (en faisant passer de la vapeur d'eau sur du fer chauffé au rouge) et montre donc que ce n'est pas un élément, mais que l'eau est décomposable en éléments (c'est en fait unepyrolyse). Le terme d'« analyse » provient d'ailleurs de cette notion de décomposition (λύσις /lúsis signifie « dissolution » en grec) : on décompose les produits (par attaque acide, en les brûlant, en les distillant, etc.) jusqu'à obtenir des substances simples reconnaissables facilement (l'hydrogène, l'oxygène, le carbone, le fer, etc.).
On a donc la première constatation expérimentale de la décomposition de la matière en substances élémentaires.
René Descartes (mathématicien, physicien et philosophe français) émet l'idée, en, que les gaz sont composés de particules tourbillonnantes. Mais il ne s'agit là encore que d'une conception imagée, sans appui expérimental ; dans le même ordre d'idées, Descartes pensait que c'était aussi un tourbillon de « matière subtile » qui entraînait la rotation des planètes (ceci fut mis en défaut parIsaac Newton avec l'attraction universelle en).
Cependant, cette notion de corpuscules inspire d'autres scientifiques. Les mathématiciens suissesJakob Hermann () etLeonhard Euler (), mais surtout le physicien suisseDaniel Bernoulli (), effectuent des calculs en supposant que les gaz sont formés de particules s'entrechoquant, et leurs résultats sont en accord avec l'expérience. C'est la conception « cinétique » des gaz, c'est-à-dire l'explication de la température et de la pression par des particules en mouvement.
Une autre science se développe à la fin duXVIIIe siècle : lacristallographie. Ce qui intrigue les scientifiques, c'est l'observation des formes géométriques des cristaux naturels, et leur capacité à se cliver selon des plans lisses respectant ces symétries. Reprenant l'idée de classification des êtres vivants deCarl von Linné, on commence à rechercher et classer les minéraux (Jean-Baptiste Romé de L'Isle,). L'abbéRené Just Haüy, en, suppose que la forme des cristaux reflète la symétrie d'une « brique élémentaire », le cristal étant un assemblage de ces briques. On retrouve ici cette notion de composant élémentaire de la matière.
John Dalton, en, mesure les masses des réactifs et des produits de réaction, et en déduit que les substances sont composées d'atomes sphériques, identiques pour un élément, mais différents d'un élément à l'autre, notamment par la masse de ces atomes. Il découvre également la notion depression partielle d'un gaz dans un mélange de gaz, c'est-à-dire la contribution d'un gaz donné à la pression totale. Il fut le premier à émettre les idées de lathéorie atomique.
En,Joseph Louis Gay-Lussac, établit la loi reliant la température et la pression d'un gaz. En, il établit que les gaz réagissent chimiquement en proportions déterminées ; les rapports des volumes des réactifs et des produits de réaction sont des nombres entiers petits. Le fait que ce soit des nombres entiers a induit fortement à penser que la matière n'est pas « continue » (pensée dominante à cette époque), mais faite d'éléments discontinus.
Amedeo Avogadro (physicien italien), en, énonce, sans preuve, que pour une température et une pression fixées, un volume donné de gaz contient toujours le même nombre de molécules, et ce quel que soit le gaz. Il fait également l'hypothèse que les gaz sont polyatomiques, et définit nettement molécules et atomes.André-Marie Ampère (1814),Jean-Baptiste Dumas () etWilliam Prout () arrivent à la même conclusion.
En1813,Jöns Jacob Berzelius inventa et fit admettre universellement des formules chimiques analogues aux formules algébriques pour exprimer la composition des corps ; le système actuel de notation fut adopté grâce à lui.
En,John Herapath(en) publie une théorie cinétique des gaz pour expliquer la propagation des sons, les changements de phase (vaporisation,liquéfaction) et la diffusion des gaz.Robert Brown, en, observe le mouvement de particules à l'intérieur de grains de pollen ; ceux-ci vont en ligne droite, et ne changent de direction que lors d'un choc avec un autre grain ou bien contre une paroi. C'est de ce comportement, le « mouvement brownien », que s'inspireront les physiciens pour décrire le mouvement des molécules de gaz.
Gabriel Delafosse, en, suppose que l'on peut dissocier la composante élémentaire du cristal et son organisation ; ainsi, la brique élémentaire de Haüy pourrait être un réseau aux nœuds duquel se trouveraient des « molécules » ; ce serait la forme du réseau qui donnerait la forme au cristal et non pas nécessairement la forme des molécules.
Louis Pasteur, en, établit le lien entre la forme des molécules et la forme des cristaux (en fait, la molécule donne sa forme au réseau, et le réseau sa forme au cristal).Auguste Bravais, en, détermine les 32 réseaux cristallins possibles.
En,Stanislao Cannizzaro insiste sur la distinction, précédemment émise par Avogadro sous forme d'hypothèse, entre le poids moléculaire et atomique et montre comment le poids atomique des éléments contenus dans des composés volatils peut être déduit de la connaissance de leur chaleur spécifique et comment le poids atomique des composés dont la densité de vapeur est inconnue peut aussi être déduit de la chaleur spécifique. La même année,Rudolf Clausius (physicien allemand) définit le libre parcours moyen d'une molécule dans un gaz (distance moyenne parcourue entre deux chocs). Partant de là, en,James Clerk Maxwell introduit la notion de dispersion statistique des vitesses des molécules dans la cinétique des gaz. Ceci permet àLudwig Boltzmann, en, d'estimer la taille des molécules et de définir la répartition statistique des vitesses dans un gaz.
En1863,John Newlands publie le premiertableau périodique des éléments, ordonnés en fonction de leurs masses atomiques relatives, et émet l'hypothèse, en, de la « loi des octaves » selon laquelle les propriétés chimiques d'un élément de la table se retrouvent tous les huit éléments. Personne n'y croit à l'époque.
La première version du tableau périodique des éléments de Mendeleïev
Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (chimiste russe), en, classe les atomes par masse croissante, et remarque qu'il y a bien une périodicité dans leurs propriétés chimiques. Il établit donc untableau classant les éléments ; les trous dans ce tableau donnent l'élan à des scientifiques de rechercher les éléments manquants.
La notion d'atome et de molécule a donc permis le succès de lathermodynamique statistique, de lachimie et de lacristallographie. À cette notion, vont correspondre des modèles qui seront affinés au cours du développement de la physique et particulièrement précisés par les découvertes de la physique quantique durant leXXe siècle, et notamment :
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Dans l'histoire des sciences, plusieurs modèles de l'atome ont été développés, au fur et à mesure des découvertes des propriétés de la matière. Aujourd'hui encore, on utilise plusieurs modèles différents ; en effet, le modèle le plus récent est assez complexe, l'utilisation de modèles « anciens » ou partiellement faux, mais plus simples, facilite la compréhension, donc l'apprentissage et la réflexion.
Depuis l'antiquité grecque, on supposait que la matière pouvait se fractionner en petits morceaux jusqu'à obtenir des grains indivisibles, qu'elle était comme « de la poussière dans la lumière ». C'est avec l'expérience deRutherford que l'on atteint enfin ce grain : lesparticules α, en traversant la matière, voient leur trajectoire perturbée, ce qui va permettre enfin de savoir comment est organisée cette « poussière »…
1675 :Jean Picard observe une luminescence verte en agitant un tube de baromètre ; on découvrira quelques siècles plus tard que cela est dû à l'électricité statique et aux vapeurs de mercure ;
1854 :Heinrich Geissler etJulius Plücker découvrent lesrayons cathodiques, des rayons verts luminescents lorsque l'on établit une forte tension électrique dans une ampoule dont on a pompé l'air (faible pression de gaz) ; ils inventent ainsi lalampe à décharge, qui éclaire maintenant nos supermarchés d'une lumière blanche, nos rues et nos stationnements d'une lumière orange (lampes au sodium) ;
Comparaison de 4 premiers modèles atomiques sur l'exemple de l'atome de bore
1897 :J. J. Thomson établit que ces rayons cathodiques sont constitués de particules chargées négativement arrachées à la matière, et découvre ainsi l'électron ; c'est la première décomposition de l'atome ;
1900 :Max Planck montre la quantification des échanges d'énergie dans la matière (recherches sur lecorps noir) ;
1911 :expérience de Rutherford : il bombarde une feuille d'or par des particules alpha (des noyaux d'hélium, chargés positivement, obtenus par radioactivité) ; il en déduit que :
la plupart des particules vont en lignes droites, donc la matière est « pleine de trous » ;
mais certaines sont déviées et même rebroussent chemin, donc elles rencontrent des îlots très concentrés de matière chargée positivement (les + se repoussent entre eux).
Il en déduit lemodèle atomique planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif très petit et d'électrons tournant autour ; ce modèle pose un gros problème : en tournant, les électrons devraient perdre de l'énergie par rayonnement, et donc s'écraser sur le noyau… (ex.: Capture K)
1913 :Niels Bohr réunit les concepts de Planck et de Rutherford, et propose unmodèle atomique quantique: les orbites des électrons ont des rayons définis, il n'existe que quelques orbites « autorisées » ; ainsi, les échanges d'énergie quantifiés correspondent à des sauts entre les orbites définies, et lorsque l'électron est sur l'orbite la plus basse, il ne peut pas descendre en dessous et s'écraser (mais ce modèle n'explique pas pourquoi) ;
1914 : l'expérience de Franck et Hertz valide le modèle de Bohr : ils bombardent de la vapeur de mercure avec des électrons ; l'énergie cinétique perdue par les électrons traversant les vapeurs est toujours la même ;
1926 :Schrödinger modélise l'électron comme une onde, l'électron dans l'atome n'est donc plus une boule mais un « nuage » qui entoure le noyau ; ce modèle, contrairement aux autres, est stable car l'électron ne perd pas d'énergie.
Le pudding de Thomson, la charge positive est répartie uniformément dans tout le volume, qui est parsemé d’électrons
Avec la découverte de l’électron en1897, on savait que la matière était composée de deux parties : une négative, les électrons, et une positive, le noyau. Dans le modèle imaginé alors parJoseph John Thomson, les électrons, particules localisées, baignent dans une « pâte » positive, à l’image des fruits confits dans un gâteau, d'où le surnom deplum-pudding parfois donné à ce modèle. Ce modèle, même s'il inclut l'électron, reste donc analogue au modèle des sphères dures, qui fut invalidé en1911 par l'expérience d’un ancien étudiant de Thomson,Ernest Rutherford.
L'expérience de Rutherford met en évidence que les charges positives ne sont pas « étalées » entre les électrons, mais sont concentrées en de petits points. Il bombarde une fine feuille d'or par un faisceau departicules alpha (particules de charges électriques positives). Il observe que les particules sont déviées faiblement, ce qui ne correspond pas au résultat prévu par le modèle de Thomson, pour lequel elles n'auraient pas dû la traverser.
Rutherford imagine donc un modèle planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif autour duquel tournent des électrons négatifs. Entre le noyau — très petit par rapport à l'atome (environ 100 000 fois) — et ses électrons, un très grandvide existe.
Ce modèle fut très vite mis en défaut par leséquations de Maxwell d'une part, quiprédisent que toute charge accélérée rayonne de l'énergie, et par les expériences montrant la quantification des niveaux d'énergie d'autre part. Il n'a plus qu'un usage pédagogique, souvent sous la forme dumodèle de Rutherford-Chadwick qui inclut lesprotons et lesneutrons dans le noyau.
Le modèle le plus simple pour représenter un atome est une boule indéformable. Ce modèle est très utilisé encristallographie et enphysique statistique où il prend la forme du modèle dessphères élastiques infiniment dures, ainsi que dans l'enseignement de la chimie pour la représentation des molécules à l'aide demodèles moléculaires. Une molécule peut se voir comme plusieurs boules accolées, un cristal comme des boules empilées. On utilise parfois une représentation « éclatée » : les atomes sont représentés comme des petites boules espacées, reliées par des traits, permettant de faire ressortir les directions privilégiées, les angles et de visualiser le nombre des liaisons.
Modèle dessphères dures pour représenter l'atome ; représentation d'une molécule d'eau et d'un cristal cubique à faces centrées, compacte (gauche) et éclatée (à droite).
Ce modèle correspond bien à certaines propriétés de la matière, comme la difficulté de comprimer les liquides et les solides, ou bien le fait que les cristaux ont des faces bien lisses. En revanche, il ne permet pas d'expliquer d'autres propriétés, comme la forme des molécules : si les atomes n'ont pas de direction privilégiée, comment expliquer que les liaisons chimiques révèlent des angles bien définis ?
Un modèle fut développé parNiels Bohr en1913 à partir des propriétés mises en évidence parPlanck etRutherford. C'est unmodèle planétaire comme celui de Rutherford, où l’atome est composé d’un noyau chargé positivement, et d’électrons tournant autour, mais dans lemodèle de Bohr les rayons des orbites des électrons ne peuvent prendre que des valeurs bien précises. Bohr ajoute une hypothèse ad-hoc qu'ils ne peuvent pas perdre d'énergie s'ils restent sur la même orbite : c'est une rupture avec la physique classique car leséquations de Maxwell prévoient uneperte d'énergie par rayonnement pour toute particule chargée accélérée, ce que sont les électrons si on les considère classiquement comme des corpuscules. Rétrospectivement, on peut voir dans cette rupture les prémices de lamécanique quantique.
Le noyau est très compact, d’un diamètre d’environ 10-15 à 10-14 m, c’est-à-dire que le noyau est cent mille à un million de fois plus petit que l’atome ; il porte une charge électrique positive. C’est aussi la partie la plus lourde de l’atome, puisque le noyau représente au moins 99,95 % de la masse de l’atome. Les électrons sont ponctuels, c’est-à-dire que leur rayon est admis quasi nul (tout du moins plus petit que ce que l’on peut estimer). Ils portent une charge négative. Pour des raisons de lisibilité, le schéma ci-dessous n’est donc pas à l’échelle, en ce qui concerne les dimensions du noyau et des électrons, ni aussi pour les rayons des différentes orbites (on notera ici que le nombre d’électrons sur les orbites n’est pas prédit par le modèle).
Cette vision permet de décrire les phénomènesspectroscopiques fondamentaux, c’est-à-dire le fait que les atomes absorbent ou émettent seulement certaines longueurs d’onde (ou couleur) de lumière ou derayons X. En effet, le système {noyau+électrons} étant stable et confiné,d’énergie négative,[Quoi ?] il ne possède qu’un ensemble discret d’états (et donc de niveaux) d’énergie : c’est le passage d’un état à l’autre de l’atome qui provoque une émissiondiscrète d’énergie, ce qui explique donc les raies spectroscopiques des atomes. Le modèle de Bohr, décomposant l’atome en deux parties, un noyau et unnuage d'électrons, est plus précis que le modèle dessphères dures, pour lequel la surface de la sphère correspond à l’orbite des électrons extérieurs.
La naissance de la mécanique ondulatoire deLouis de Broglie en1924, généralisée parErwin Schrödinger en1926 amène à proposer un nouveau modèle, dont les aspects relativistes furent décrits parPaul Dirac en1928 ; il permet d'expliquer la stabilité de l'atome et la description des termes spectroscopiques.
Dans ce modèle, les électrons ne sont plus des billes localisées en orbite, mais desnuages de probabilité de présence. Ce point de vue, révolutionnaire, peut choquer en première approche. Cependant la représentation que l'on pouvait se faire d'un électron — une petite bille ? — était dictée par les formes observées dans le monde macroscopique, transposées sans preuves dans le mondemicroscopique. Il faut bien avoir conscience du fait que ce que l'on connaît de l'électron ne repose que sur des manifestations indirectes : courant électrique, tube cathodique (télévision)…
Depuis lesannées 1930, on modélise ainsi l'électron par une « fonction d'onde », généralement notée Ψ, dont le carré de lanorme représente la densité de probabilité de présence. Pour représenter fidèlement les propriétés de l'électron, on ne dispose que de fonctions mathématiques compliquées ; cette abstraction rebute encore bien des physiciens. Nous essayons ci-dessous de donner une image de la notion de fonction d'onde, image nécessairement imparfaite.
Imaginons que hors de l'atome, l'électron soit une petite bille. Lorsque l'électron est capturé par l'atome, il se « dissout » et devient un nuage diffus, il s'« évapore ». Quand on l'arrache de l'atome, il redevient une petite bille, il se « recondense ». Il existe d'autres exemples d'objet qui changent de forme, par exemple, hors de l'eau, le sel est sous forme de cristaux ; mis dans l'eau, il se dissout, et si l'on fait s'évaporer l'eau, on retrouve des cristaux. Le sel change de forme (cristal compact ou dissous dans l'eau), mais on a tout le temps du sel.
Image simplifiée de l'arrachement d'un électron du nuage électronique dans le modèle de Schrödinger.
De manière un peu plus exacte : un électron, hors d'un atome, est représenté par unpaquet d'ondes, qui peut être considéré, dans certaines limites, comme une petite bille. Lamécanique quantique démontre qu'un tel paquet d'ondes s'étale au cours du temps ; au contraire, un électron d'un atome conserve la structure de la fonction d'onde associée à l'orbite qu'il occupe (tant qu'il n'est pas éjecté de l'atome). La mécanique quantique postule donc, non la conservation de la forme (non connue) de l'électron, mais la conservation de l'intégrale de la probabilité de présence.
Dans le modèle de Schrödinger, lesnuages correspondant aux différents électrons s'interpénètrent ; il n'est pas question de se donner une représentation individuelle des électrons chacun sur son orbite, comme cela était dans le cas du modèle de Bohr. Cela est d'autant plus vrai que les électrons sont des particules identiquesindiscernables. Leseffets d'échange amènent à considérer que chaque électron de l'atome est à la fois sur chaque orbitale occupée (correspondant à une configuration électronique donnée). L'ionisation de l'atome (l'arrachement d'un électron de l'atome) peut alors être représentée par le schéma simplifié ci-dessous.
Pour éviter des complications inutiles, on considérera l'atome le plus simple (l'atome d'hydrogène) afin de montrer quelques schémas dévoilant les points fondamentaux du modèle :
le nuage électronique associé à l'état fondamental, révélant (comme d'autres états) la possibilité pour l'électron d'être au sein du noyau, ce qui a des conséquences enphysique nucléaire : capture électronique ;
le nuage électronique associé à une combinaison linéaire de deux orbitales associées au premier niveau excité. Cet exemple montre la possibilité d'obtenir des nuages électroniques pointant vers l'extérieur de l'atome… Nous sommes ainsi préparés auxliaisons moléculaires.
Densités de probabilité de présence de l'électron, dans l'état fondamental de l'atome d'hydrogène. (1) Dans un planOxy passant par le centre de l'atome, la densité ponctuelle est représentée par des niveaux de gris : elle est maximale au centre et décroît continûment en s'en éloignant. (2) Dans un diagrammeOrP on a tracé legraphe de la densité radiale : elle croît depuis 0 puis décroît jusqu'à 0, et prend son maximum à une distance égale au premier rayon de Bohr.
Soit la densité de probabilité de présence de l'électron au point decoordonnées sphériques. Par définition de cette densité, la probabilité que l'électron se trouve dans l'élément de volume entourant le point est. Dans l'état fondamental, la densité de probabilité est de symétrie sphérique, c'est-à-dire quep ne dépend pas deθ ni deφ : on peut la noter plus simplement. On montre que est maximale pour (et décroît jusqu'à 0 quand) ; autrement dit, le point où l'électron a le plus de chances de se trouver est au centre de l'atome.
Considérons maintenant la densité radiale de probabilité de présence de l'électron,. Par définition de cette densité, la probabilité que l'électron se trouve dans une couronne sphérique d'épaisseur autour de ladistance radialer, de volume, est, donc. On montre que est une fonction croissante puis décroissante der, nulle pour et et maximale pour où est le rayon de la première orbite du modèle de Bohr (0,052 9 nm). Autrement dit, la distance du centre de l'atome à laquelle l'électron a le plus de chances de se trouver est.
En fonction de l'état quantique de l'électron (fondamental,excité…) ces nuages peuvent prendre différentes formes, qui sont décrites en particulier par lesharmoniques sphériques. La forme la plus simple est la symétrie sphérique, montrée en particulier, ci-dessus, dans le cas de l'état fondamental, |1s>.
Graphe de la densité de probabilité de présence.
Des combinaisons linéaires de fonctions d'onde, utilisant des harmoniques sphériques distinctes, permettent l'apparition d'une anisotropie qui va devenir essentielle pour le passage de la notion d'atome à celle demolécule. Le schéma ci-contre montre une coupe de la densité de probabilité de présence de l'orbitale hybride | > de l'atome d'hydrogène, coupe contenantOz axe de symétrie de l'orbitale atomique. Pour cet exemple, l'axeOz devient une direction privilégiée, mais de plus la densité de probabilité de présence s'étale plus loin pour une orientation donnée.
Ce modèle permet d'expliquer :
la stabilité de l'atome, les charges sont accélérées, mais elles sont contraintes par la mécanique quantique (relations d'incertitude) ;
la forme des molécules : orientation préférentielle des nuages électroniques ;
l'organisation des cristaux : le nuage électronique se comporte comme une coquille dure ;
les effets spectroscopiques (la quantification des échanges d'énergie) : le nuage ne peut prendre que des formes déterminées, notamment en ce qui concerne la distancer1 du maximum de densité au noyau.
On notera pour terminer que descorrections relativistes sont à apporter, dans le cas des atomes de numéro atomique élevé, pour la détermination des niveaux internes (les vitesses des électrons sur les orbites du modèle de Bohr sont alors importantes).
Si la mécanique quantique permit d'expliquer rapidement les caractéristiques spectroscopiques des atomes et des molécules, le cœur de l'atome, sonnoyau, fut plus difficile à comprendre. Les difficultés sont ici de deux ordres : l'une correspondant à l'importance de l'énergie des particules sondes permettant d'atteindre les dimensions de l'ordre du fermi, l'autre à la nécessaire invention d'au moins une interaction supplémentaire permettant la stabilité d'un noyau constitué de protons (qui se repoussent électriquement) et de neutrons.
Cette compréhension de la cohésion du noyau devait aussi expliquer les phénomènes deradioactivité alpha,bêta etgamma, dont les premières observations dataient de la dernière décennie duXIXe siècle.
La décennie qui précéda laSeconde Guerre mondiale mena à la découverte des deux interactions maîtresses de la stabilité du cœur : l'interaction forte et l'interaction faible. La petitesse de la portée de ces deux interactions, respectivement 10-15 m et 10-18 m explique les difficultés expérimentales rencontrées. Les difficultés théoriques ne manquent pas, non plus ; il ne s'agit pas de lois physiques aussisimples que celles de l'électromagnétisme, même compliquées par lamécanique quantique, mais de la compréhension de toutes les particules élémentaires… L'invention desquarks et desgluons donne ainsi la vision actuelle de l'interaction qui maintient ensemble les nucléons.
Cette physique nucléaire mène aussi à l'explication de la nucléosynthèse, expliquant les aspects nucléaires dutableau de Mendeleïev. On se retrouve là dans le foisonnement de lanaissance de l'univers et de la dynamique des étoiles.
Un atome est couramment désigné par son symbole chimique, complété par sonnombre de masse A (égal au nombre denucléons de l'atome) placé en haut et à gauche du symbole.
Exemple : lecarbone 12 de nombre de masse 12 est noté.
Il est d'usage de compléter cette écriture par lenuméro atomique Z, placé en bas et à gauche du symbole, pour décrire uneréaction nucléaire dans laquelle intervient unisotope.
Le carbone 12 est ainsi noté.
Ainsi, le carbone 14 et le carbone 12 sont deuxisotopes.
↑Un état triplet est celui d'un couple d'électrons auxspins parallèles : leurmultiplicité de spin vaut en effet2S + 1 = 3 quandS = 1, ce qui est le cas avec deux électrons aux spins parallèles.
↑« Livermore scientists team with Russia to discover element 118 »,LLNL Public Affairs, Livermore press release,(lire en ligne, consulté le)« Copie archivée »(version du surInternet Archive).
↑(en)Encyclopædia Britannica, articleTransuranium Element, dont la brève sectionEnd of Periodic Table en fin d'article situe entre 170 et 210 la borne supérieure théorique aunuméro atomique, et à Z ≈ 130 la limite d'observabilité des atomes.
Michel Chauvin,De l'atome au nucléaire : un siècle de prouesses scientifiques et d'enjeux politiques, Presses internationales Polytechnique,(présentation en ligne).
Bernard Fernandez,De l'atome au noyau : une approche historique de la physique atomique et de la physique nucléaire, Ellipses,(EAN978-2-340-025158,présentation en ligne)
Ben Still,La vie secrète des atomes - Les mystères des 118 éléments qui constituent la matière, Dunod,
