Atome — unité fondamentale de la matière

Le mot "atome" vient du grec (ἀτόμος) "atomos", indivisible, de (ἀ)-, non, et τόμος, une coupure. La première mention historique du mot "atome" provient des travaux du philosophe grec Démocrite, vers 400 avant JC. La théorie atomique est restée un sujet essentiellement philosophique, avec peu de recherches ou d'études scientifiques réelles, jusqu'au développement de la chimie dans les années 1650.

En 1777, le chimiste français Antoine Lavoisier a défini pour la première fois le terme "élément". Il a dit qu'un élément était toute substance de base qui ne pouvait pas être décomposée en d'autres substances par les méthodes de la chimie. Toute substance qui peut être décomposée est un composé.

En 1803, le philosophe anglais John Dalton a suggéré que les éléments étaient des boules minuscules et solides faites d'atomes. Dalton pensait que tous les atomes d'un même élément avaient la même masse. Il disait que les composés se forment lorsque les atomes de plus d'un élément se combinent. Selon Dalton, dans un certain composé, les atomes des éléments du composé se combinent toujours de la même manière.

En 1827, le scientifique britannique Robert Brown a examiné au microscope des grains de pollen dans l'eau. Les grains de pollen semblaient bouger. Brown a utilisé la théorie atomique de Dalton pour décrire les motifs de leur mouvement. C'est ce qu'on a appelé le mouvement brownien. En 1905, Albert Einstein a utilisé les mathématiques pour prouver que les mouvements apparemment aléatoires étaient causés par les réactions des atomes, et ce faisant, il a prouvé de façon concluante l'existence de l'atome. En 1869, le scientifique russe Dmitri Mendeleev a publié la première version du tableau périodique. Le tableau périodique regroupe les éléments selon leur numéro atomique (le nombre de protons qu'ils possèdent. Ce nombre est généralement le même que le nombre d'électrons). Les éléments d'une même colonne, ou période, ont généralement des propriétés similaires. Par exemple, l'hélium, le néon, l'argon, le krypton et le xénon sont tous dans la même colonne et ont des propriétés très similaires. Tous ces éléments sont des gaz qui n'ont ni couleur ni odeur. De plus, ils sont incapables de se combiner avec d'autres atomes pour former des composés. Ensemble, ils sont connus sous le nom de gaz rares.

Le physicien J.J. Thomson a été la première personne à découvrir les électrons. Cela s'est produit alors qu'il travaillait avec des rayons cathodiques en 1897. Il s'est rendu compte qu'ils avaient une charge négative, contrairement aux protons (positifs) et aux neutrons (sans charge). Thomson a créé le modèle du plum pudding, qui stipulait qu'un atome était comme un plum pudding : les fruits secs (électrons) étaient coincés dans une masse de pudding (protons). En 1909, un scientifique nommé Ernest Rutherford a utilisé l'expérience Geiger-Marsden pour prouver que la plus grande partie d'un atome se trouve dans un espace très restreint appelé noyau atomique. Rutherford a pris une plaque photographique et l'a recouverte d'une feuille d'or, puis y a injecté des particules alpha (constituées de deux protons et de deux neutrons collés ensemble). Beaucoup de ces particules ont traversé la feuille d'or, ce qui prouve que les atomes sont pour la plupart des espaces vides. Les électrons sont si petits qu'ils ne représentent que 1 % de la masse d'un atome.

En 1913, Niels Bohr a introduit le modèle Bohr. Ce modèle montrait que les électrons se déplacent autour du noyau sur des orbites circulaires fixes. C'était plus précis que le modèle de Rutherford. Cependant, il n'était pas encore tout à fait exact. Des améliorations ont été apportées au modèle de Bohr depuis son introduction.

En 1925, le chimiste Frederick Soddy a découvert que certains éléments du tableau périodique avaient plus d'une sorte d'atome. Par exemple, tout atome ayant 2 protons devrait être un atome d'hélium. Habituellement, un noyau d'hélium contient également deux neutrons. Cependant, certains atomes d'hélium n'ont qu'un seul neutron. Cela signifie qu'ils sont vraiment de l'hélium, car un élément est défini par le nombre de protons, mais ils ne sont pas non plus de l'hélium normal. Soddy a appelé un atome comme celui-ci, avec un nombre différent de neutrons, un isotope. Pour obtenir le nom de l'isotope, nous regardons combien de protons et de neutrons il possède dans son noyau et nous ajoutons cela au nom de l'élément. Ainsi, un atome d'hélium avec deux protons et un neutron est appelé hélium-3, et un atome de carbone avec six protons et six neutrons est appelé carbone-12. Cependant, lorsqu'il a développé sa théorie, Soddy ne pouvait pas être certain que les neutrons existaient réellement. Pour prouver leur existence, le physicien James Chadwick et une équipe d'autres personnes ont créé le spectromètre de masse. Le spectromètre de masse mesure en fait la masse et le poids des atomes individuels. En faisant cela, Chadwick a prouvé que pour rendre compte de tout le poids de l'atome, les neutrons doivent exister.

En 1937, le chimiste allemand Otto Hahn a été le premier à créer la fission nucléaire en laboratoire. Il l'a découvert par hasard en tirant des neutrons sur un atome d'uranium, dans l'espoir de créer un nouvel isotope. Cependant, il a remarqué qu'au lieu d'un nouvel isotope, l'uranium se transformait simplement en un atome de baryum, un atome plus petit que l'uranium. Apparemment, Hahn avait "cassé" l'atome d'uranium. C'était la première réaction de fission nucléaire enregistrée dans le monde. Cette découverte a finalement conduit à la création de la bombe atomique.

Plus tard au cours du XXe siècle, les physiciens ont approfondi les mystères de l'atome. En utilisant des accélérateurs de particules, ils ont découvert que les protons et les neutrons étaient en fait constitués d'autres particules, appelées quarks.

Le modèle le plus précis à ce jour provient de l'équation de Schrödinger. Schrödinger a réalisé que les électrons existent dans un nuage autour du noyau, appelé le nuage d'électrons. Dans le nuage d'électrons, il est impossible de savoir exactement où se trouvent les électrons. L'équation de Schrödinger est utilisée pour savoir où un électron est susceptible de se trouver. Cette zone est appelée l'orbite de l'électron.

Pièces

L'atome complexe est composé de trois particules principales : le proton, le neutron et l'électron. L'isotope de l'hydrogène Hydrogène-1 n'a pas de neutrons, juste un proton et un électron. Un ion hydrogène positif n'a pas d'électrons, seulement un proton et un neutron. Ces deux exemples sont les seules exceptions connues à la règle selon laquelle tous les autres atomes ont au moins un proton, un neutron et un électron chacun.

Les électrons sont de loin les plus petits des trois particules atomiques, leur masse et leur taille sont trop petites pour être mesurées avec la technologie actuelle. Ils ont une charge négative. Les protons et les neutrons ont une taille et un poids similaires, les protons sont chargés positivement et les neutrons n'ont pas de charge. La plupart des atomes ont une charge neutre ; comme le nombre de protons (positifs) et d'électrons (négatifs) est le même, les charges s'équilibrent jusqu'à zéro. Cependant, ce n'est pas toujours le cas pour les ions (nombre d'électrons différent), qui peuvent avoir une charge positive ou négative. Les protons et les neutrons sont constitués de quarks, de deux types : les quarks up et les quarks down. Un proton est constitué de deux quarks up et d'un quark down et un neutron est constitué de deux quarks down et d'un quark up.

Nucleus

Le noyau se trouve au milieu d'un atome. Il est composé de protons et de neutrons. Habituellement, dans la nature, deux choses ayant la même charge se repoussent ou s'éloignent l'une de l'autre. Pendant longtemps, les scientifiques n'ont donc pas su comment les protons chargés positivement dans le noyau restaient ensemble. Ils ont résolu ce problème en trouvant une particule appelée gluon. Son nom vient du mot "colle" car les gluons agissent comme une colle atomique, collant les protons ensemble en utilisant la force nucléaire. C'est cette force qui maintient également les quarks ensemble qui constituent les protons et les neutrons.

Le nombre de neutrons par rapport aux protons définit si le noyau est stable ou s'il subit une désintégration radioactive. Lorsqu'il y a trop de neutrons ou de protons, l'atome essaie de faire en sorte que les nombres soient les mêmes en se débarrassant des particules supplémentaires. Il y parvient en émettant des radiations sous forme de désintégration alpha, bêta ou gamma. Les noyaux peuvent également se transformer par d'autres moyens. La fission nucléaire se produit lorsque le noyau se divise en deux noyaux plus petits, libérant ainsi une grande quantité d'énergie stockée. C'est cette libération d'énergie qui rend la fission nucléaire utile pour la fabrication de bombes et d'électricité, sous forme d'énergie nucléaire. L'autre façon dont les noyaux peuvent se transformer est la fusion nucléaire, lorsque deux noyaux s'assemblent, ou fusionnent, pour former un noyau plus lourd. Ce processus nécessite des quantités extrêmes d'énergie afin de surmonter la répulsion électrostatique entre les protons, car ils ont la même charge. Ces hautes énergies sont plus courantes dans les étoiles comme notre Soleil, qui fusionne l'hydrogène pour en faire un carburant.

Electrons

Les électrons sont en orbite autour du noyau. On les appelle le nuage d'électrons de l'atome. Ils sont attirés vers le noyau à cause de la force électromagnétique. Les électrons ont une charge négative et le noyau a toujours une charge positive, ils s'attirent donc les uns les autres. Autour du noyau, certains électrons sont plus éloignés que d'autres, dans des couches différentes. Ces couches sont appelées "coquilles d'électrons". Dans la plupart des atomes, la première coquille contient deux électrons, et toutes les suivantes en contiennent huit. Les exceptions sont rares, mais elles se produisent et sont difficiles à prévoir. Plus l'électron est éloigné du noyau, plus l'attraction du noyau sur lui est faible. C'est pourquoi les atomes plus gros, avec plus d'électrons, réagissent plus facilement avec d'autres atomes. L'électromagnétisme du noyau n'est pas assez fort pour retenir leurs électrons et les atomes perdent des électrons à cause de la forte attraction des plus petits atomes.

Certains éléments, et de nombreux isotopes, ont ce que l'on appelle un noyau instable. Cela signifie que le noyau est soit trop grand pour se maintenir, soit qu'il contient trop de protons ou de neutrons. Dans ce cas, le noyau doit se débarrasser de la masse ou des particules en excès. Pour ce faire, il utilise des radiations. Un atome qui fait cela peut être qualifié de radioactif. Les atomes instables continuent à être radioactifs jusqu'à ce qu'ils perdent suffisamment de masse/particules pour devenir stables. Tous les atomes au-dessus du numéro atomique 82 (82 protons, plomb) sont radioactifs.

Il existe trois principaux types de désintégration radioactive : alpha, bêta et gamma.

• La désintégration alpha est le moment où l'atome expulse une particule ayant deux protons et deux neutrons. Il s'agit essentiellement d'un noyau d'hélium. Il en résulte un élément dont le numéro atomique deux est inférieur à celui d'avant. Ainsi, par exemple, si un atome de béryllium (numéro atomique 4) subit une désintégration alpha, il devient de l'hélium (numéro atomique 2). La désintégration alpha se produit lorsqu'un atome est trop grand et doit se débarrasser d'une certaine masse.
• La désintégration bêta se produit lorsqu'un neutron se transforme en proton ou qu'un proton se transforme en neutron. Dans le premier cas, l'atome expulse un électron. Dans le second cas, il s'agit d'un positon (comme un électron mais avec une charge positive). Le résultat final est un élément dont le numéro atomique est plus ou moins élevé qu'auparavant. La désintégration bêta se produit lorsqu'un atome a soit trop de protons, soit trop de neutrons.
• La désintégration gamma se produit lorsqu'un atome émet un rayon gamma, ou une onde. Elle se produit lorsqu'il y a un changement dans l'énergie du noyau. Cela se produit généralement après qu'un noyau ait déjà subi une désintégration alpha ou bêta. La masse, le numéro atomique ou l'atome ne changent pas, seule l'énergie stockée dans le noyau change.

Chaque élément ou isotope radioactif a ce qu'on appelle une demi-vie. C'est le temps qu'il faut à la moitié d'un échantillon d'atomes de ce type pour se désintégrer jusqu'à ce qu'ils deviennent un autre isotope ou élément stable. Les gros atomes, ou les isotopes présentant une grande différence entre le nombre de protons et de neutrons, auront donc une longue demi-vie, car ils doivent perdre davantage de neutrons pour devenir stables.

Marie Curie a découvert la première forme de radiation. Elle a trouvé l'élément et l'a nommé radium. Elle a également été la première femme à recevoir le prix Nobel.

Frederick Soddy a mené une expérience pour observer ce qui se passe lorsque le radium se désintègre. Il a placé un échantillon dans une ampoule électrique et a attendu qu'il se désintègre. Soudain, de l'hélium (contenant 2 protons et 2 neutrons) est apparu dans l'ampoule, et grâce à cette expérience, il a découvert que ce type de rayonnement a une charge positive.

James Chadwick a découvert le neutron, en observant les produits de désintégration de différents types d'isotopes radioactifs. Chadwick a remarqué que le numéro atomique des éléments était inférieur à la masse atomique totale de l'atome. Il en a conclu que les électrons ne pouvaient pas être la cause de cette masse supplémentaire car ils ont à peine de la masse.

Enrico Fermi, a utilisé les neutrons pour les tirer sur l'uranium. Il a découvert que l'uranium se décomposait beaucoup plus vite que d'habitude et produisait beaucoup de particules alpha et bêta. Il pensait également que l'uranium se transformait en un nouvel élément qu'il a appelé l'hesperium.

Otto Hanh et Fritz Strassmann ont répété l'expérience de Fermi pour voir si le nouvel élément hesperium était réellement créé. Ils ont découvert deux nouvelles choses que Fermi n'avait pas observées. En utilisant beaucoup de neutrons, le noyau de l'atome se divise, produisant beaucoup d'énergie thermique. Les produits de fission de l'uranium ont également été découverts : thorium, palladium, radium, radon et plomb.

Fermi a alors remarqué que la fission d'un atome d'uranium entraînait l'émission de plus de neutrons, qui divisaient ensuite d'autres atomes, créant des réactions en chaîne. Il s'est rendu compte que ce processus s'appelle la fission nucléaire et qu'il pouvait créer d'énormes quantités d'énergie thermique.

Cette même découverte de Fermi a conduit au développement de la première bombe nucléaire, dont le code est "Trinity".