Atome

Unatome(grec ancienἄτομος [átomos], « insécable »)est la plus petite partie d'uncorps simplepouvant se combinerchimiquementavec un autre. Les atomes sont les constituants élémentaires de toutes les substances solides, liquides ou gazeuses. Les propriétés physiques et chimiques de ces substances sont déterminées par les atomes qui les constituent ainsi que par l'arrangement tridimensionnel de ces atomes.

Représentation d'un atome d'hélium 4avec, apparaissant rosé au centre, lenoyau atomiqueet, en dégradé de gris tout autour, lenuage électronique.Le noyau d'hélium 4,agrandi à droite, est formé de deuxprotonset de deuxneutrons.

Atomes decarboneà la surface degraphiteobservés parmicroscope à effet tunnel.

Contrairement à ce que leur étymologie suggère, les atomes ne sont pas indivisibles, mais sont constitués departicules subatomiques.Ils comprennent unnoyau,qui concentre plus de 99,9 % de leur masse, autour duquel se distribuent desélectrons,qui forment un nuage 10 000 à 100 000 fois plus étendu que le noyau lui-même,de sorte que le volume d'un atome, grossièrement sphérique, est presque entièrement vide. Le noyau est formé deprotons,porteurs d'unecharge électriquepositive, et deneutrons,électriquement neutres; l'hydrogènefait exception, car le noyau de sonisotope¹Hne 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 atomiquesen interaction avec le noyauvialaforce électromagnétique.Le nuage électronique est stratifié en niveaux d'énergiequantifiésautour du noyau, niveaux qui définissent descoucheset dessous-couches électroniques;les nucléons se distribuent également selon descouches nucléaires,bien qu'un modèle approché assez commode popularise lastructure nucléaired'après lemodèle de la goutte liquide.

Plusieurs atomes peuvent établir desliaisons chimiquesentre 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 le18 novembre 2016.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 lesisotopesconsidérés. 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 208est l'isotope stablele plus lourd.

Lathéorie atomiste,qui soutient l'idée d'une matière composée de « grains » indivisibles (contre l'idée d'une matière indéfiniment sécable), est connue depuis l'Antiquité,et a été notamment défendue parLeucippeet son discipleDémocrite,philosophes de laGrèce antique,ainsi qu'enInde,plus antérieurement, par l'une des six écoles de philosophiehindoue,levaisheshika,fondé parKanada.Elle fut disputée jusqu'à la fin duXIX^esiècle et n'a plus été remise en cause depuis lors. L'observation directe d'atomes n'est devenue possible qu'au milieu duXX^esiècle avec lamicroscopie électronique en transmissionet l'invention dumicroscope à effet tunnel.C'est ainsi sur les propriétés des atomes que reposent toutes lessciences des matériauxmodernes, tandis que l'élucidation de la nature et de la structure des atomes a contribué de manière décisive au développement de laphysiquemoderne, et notamment de lamécanique quantique.

Sections transversales des premièresorbitalesde l'atome d'hydrogène,le dégradé de couleurs représentant l'amplitude de probabilitéde l'électron.

Structure

Ordres de grandeur

Le diamètre estimé d'un atome « libre » (horsliaison covalenteou cristalline) est compris entre 62pm(6,2 × 10⁻¹¹m) pour l'héliumet 596pm(5,96 × 10⁻¹⁰m) pour lecésium,tandis que celui d'unnoyau atomiqueest compris entre 2,4fm(2,4 × 10⁻¹⁵m) pour l'isotope¹Het 14,8fm(1,48 × 10⁻¹⁴m) environ pour lenucléide²³⁸U:lenoyaud'unatome d'hydrogèneest donc environ 40 000 fois plus petit que l'atome d'hydrogène lui-même.

Le noyau concentre cependant l'essentiel de la masse de l'atome:le noyau dulithium 7,par exemple, est environ 4 300 fois plus massif que les trois électrons qui l'entourent, l'atome de⁷Li ayant une masse de l'ordre de 1,172 × 10⁻²⁶kg.Pour fixer les idées, la masse des atomes est comprise entre 1,674 × 10⁻²⁷kgpour leprotiumet 3,953 × 10⁻²⁵kgpourl'uranium 238,en s'en tenant auxisotopesqui ont une abondance significative dans le milieu naturel — il existe des noyaux plus lourds mais aussi bien plus instables que lenucléide²³⁸U.

Cette masse est généralement exprimée enunités de masse atomique(« uma », ou « u »), définie comme la douzième partie de la masse d'un atome de¹²Cnonlié,immobile et à sonétat fondamental,soit1 uma = 1,660 54 × 10⁻²⁷kg;dans cette unité, la masse du nucléide²³⁸U vaut 238,050 782 6uma.Une unité alternative également très employée enphysique des particulesest l'électron-voltdivisé par lecarréde lavitesse de la lumière(eV/c²), qui esthomogèneà unemasseen vertu de la fameuse équationE=mc²de larelativité restreinte,et qui vaut1eV/c²= 1,783 × 10⁻³⁶kg;dans cette unité, la masse du noyau²³⁸U est égale à221,7GeV/c².

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 lamolecomme étant laquantité de matièreconstituée par autant d'unités élémentaires (atomes,molécules,électrons,etc.) qu'il y a d'atomes dans 12gdecarbone 12,soit pas moins de 6,022 × 10²³unités élémentaires, ce qu'on appelle lenombre d'Avogadro.

Particules subatomiques

Bien que son étymologie signifie « indivisible » engrec ancien,un atome est en réalité constitué departicules élémentairesplus petites, et peut donc être divisé; mais il constitue bien la plus petite unité indivisible d'unélément chimiqueen tant que tel: en brisant, par exemple, un atome d'hélium,on obtiendra desélectrons,desprotonset desneutrons,mais on n'aura plus uncorps simpleayant les propriétés de l'hélium.

• L'électrone⁻est une particule très peu massive (9,109 4 × 10⁻³¹kg,soit511,00keV/c²) et pourvue d'unecharge électriquenégative de −1,602 × 10⁻¹⁹C.
• Leprotonp⁺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 absolueque celle de l'électron, soit 1,602 × 10⁻¹⁹C.
• Leneutronn⁰est 1 838,5 fois plus massif que l'électron (1,674 9 × 10⁻²⁷kg,soit939,57MeV/c²), et électriquement neutre.

Lemodèle standard de la physique des particulesdécrit lesnucléonscomme desbaryonscomposés de particules élémentaires appeléesquarks:

• leprotonest constitué de deuxquarks upet d'unquark down:p⁺= uud;
• leneutronest constitué d'unquark upet de deuxquarks down:n⁰= udd.

Lesélectrons,quant à eux, sont desleptonsqui constituent, avec lesquarks,le groupe desfermions.La grande différence entre quarks et leptons est que seuls les premiers connaissent toutes lesinteractions élémentaires,y compris l'interaction nucléaire forte,dont les médiateurs sont desbosons de jaugeappelésgluons;les leptons ne connaissent que l'interaction faible(vialesbosons Z⁰etW⁺) et l'interaction électromagnétique(vialesphotons).

Toutes ces particules connaissenta prioriégalement 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.

Nuage électronique

Représentation schématique d'un puits de potentiel. L'énergieV( x ) requise pour occuper chaqueabscissexconfine à l'intervalle [ x₁,x₂ ] toute particule pourvue de l'énergieEenordonnée.

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.

Lenoyau atomiqueétantchargépositivement, il forme unpuits de potentielpour lesélectrons,qui sont chargés négativement. Ce puits de potentiel est constitué deniveaux d'énergiedéfinis par desnombres quantiquesdont la combinaison détermine desorbitales atomiquesconférant auxfonctions d'ondecorrespondantes des dimensions et des formes caractéristiques.

Introduction au modèle de Schrödinger

L'électronmanifeste, comme tout objetquantique,unedualité onde-corpuscule,en vertu de laquelle il se comporte tantôt comme uneparticulegéométriquement délimitée occupant une position déterminée, tantôt comme uneondesusceptible de présenter, par exemple, des phénomènes d'interférences. Ces deux aspects de l'électron coexistent dans l'atome, bien que le modèle deSchrödingersoit exclusivement ondulatoire:

• un électron n'est jamais localisé à un endroit précis d'une trajectoire définie autour du noyau, mais distribué au sein d'uneorbitale atomiqueavec une probabilité de présence égale au carré de lanormede 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 mouvementet d'unmoment angulaireorbital: c'est l'aspect corpusculaire.

Illustration d'orbitales atomiques.

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 proprede 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 quantiquesqui 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'ondede 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.

Principe d'exclusion de Pauli

$E\Psi (\mathbf {r} )={\frac {-\hbar ^{2}}{2m}}\nabla ^{2}\Psi (\mathbf {r} )+V(\mathbf {r} )\Psi (\mathbf {r} )$

Équation de Schrödingerd'uneonde stationnaire.

Chaque électron est décrit, dans un atome, par un quadruplet denombres quantiques(n,ℓ,m_ℓ,m_s) satisfaisant l'équation de Schrödingeret appelés respectivement:

• nombre quantique principaln,définissant lescouches électroniques;
• nombre quantique azimutalℓ,définissant lessous-couches électroniques;
• nombre quantique magnétiquem_ℓ,définissant l'orientation spatiale de l'orbitale atomique;
• nombre quantique magnétique de spinm_s,définissant l'orientation dumoment angulaireintrin sắc que de l'électron dans son orbitale.

Leprincipe d'exclusion de Paulistipule que deuxfermionsappartenant au mêmesystèmede 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 électroniquedes atomes: les électrons qui « s'empilent » dans l'atome doivent avoir chacun unétat quantiquedistinct 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 périodiquedeséléments chimiquesenblocset enpériodes:

Distribution desélectronsdans lesorbitales atomiquesparsous-couche électronique

Période	Sous-couche	Nombres quantiques		Nombre quantique magnétique							Nombre d'électrons
		Principal	Azimutal	-3	-2	-1	0	1	2	3	Sous-couche	Période
no1	1s	n= 1	ℓ= 0				↑ ↓				2	2
no2	2s	n= 2	ℓ= 0				↑ ↓				2	8
	2p	n= 2	ℓ= 1			↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓			6
no3	3s	n= 3	ℓ= 0				↑ ↓				2	8
	3p	n= 3	ℓ= 1			↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓			6
no4	4s	n= 4	ℓ= 0				↑ ↓				2	18
	3d	n= 3	ℓ= 2		↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓		10
	4p	n= 4	ℓ= 1			↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓			6
no5	5s	n= 5	ℓ= 0				↑ ↓				2	18
	4d	n= 4	ℓ= 2		↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓		10
	5p	n= 5	ℓ= 1			↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓			6
no6	6s	n= 6	ℓ= 0				↑ ↓				2	32
	4f	n= 4	ℓ= 3	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	14
	5d	n= 5	ℓ= 2		↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓		10
	6p	n= 6	ℓ= 1			↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓			6
no7	7s	n= 7	ℓ= 0				↑ ↓				2	32
	5f	n= 5	ℓ= 3	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	14
	6d	n= 6	ℓ= 2		↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓		10
	7p	n= 7	ℓ= 1			↑ ↓	↑ ↓	↑ ↓			6

Orbitales moléculaires

Orbitales atomiquesetmoléculaires.

Sastructure électroniqueconfère à l'atome ses propriétéschimiquesetmagnétiques.Ainsi, leséléments chimiquessont communément classés dans untableau périodiqueorganisé 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 moléculaireconstituant uneliaison chimiqueentre deux atomes; si les orbitales atomiques en recouvrement appartiennent au même atome, on dit qu'il y ahybridation.

Une orbitale moléculaire est diteliantelorsque lesphases d'électrondes orbitales atomiques sont de même signe (interférenceconstructive); elle est diteantiliantelorsque les orbitales atomiques ont des phases de signe opposé (interférence destructive).

composition d'un noyau atomique

Noyau atomique

Protonsetneutronsforment unnoyau atomiquede dimensionfemtométrique.Le rayon nucléaire d'un atome dont lenombre de masseestAvaut environ${\begin{smallmatrix}1,2{\sqrt[{3}]{A}}\end{smallmatrix}}$fm,alors que l'atome lui-même a un rayon de l'ordre de la centaine depicomètres(environ35 000à40 000foisplus grand). Les protons étant chargés positivement, ils se repoussent au sein du noyau, mais l'intensité de cette répulsionélectrostatiqueest très inférieure à celle de l'attraction entre nucléons induite par l'interaction nucléaire forteà des distances inférieures à 2,5fm.

La géométrie des noyaux atomiques est généralement sphérique, bien que certains noyaux stables suffisamment massifs adoptent également des formessphéroïdesétirées 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.

Le volume nucléaire, estimé expérimentalement par des techniques de diffraction de faisceaux d'électrons, correspond à peu près à l'empilement desphères duresreprésentant 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 nucléairesemblent mieux décrites par lemodèle en couches,élaboré par les physiciens allemandsMaria Goeppert-MayeretHans Daniel Jensen,qui ont obtenu leprix Nobel de physiqueen 1963 pour cette avancée. Leur modèle considère lesnucléonscomme desfermionssoumis auprincipe d'exclusion de Pauliet répartis sur desniveaux d'énergiequantifiés — les « couches nucléaires » — de façon similaire aux électrons à l'échelle de l'atome. Dans le noyau,protonsetneutronsconstituent 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 noyauvial'interaction électromagnétique,les nucléons interagissent entre eux essentiellementvial'interaction nucléaire forteet 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-orbitesont 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):

Sous-couche1s1/2	2 états	→1recouche:nombre magique = 2
Sous-couche1p3/2	4 états
Sous-couche1p1/2	2 états	→2ecouche:nombre magique = 8
Sous-couche1d5/2	6 états
Sous-couche2s1/2	2 états
Sous-couche1d3/2	4 états	→3ecouche:nombre magique = 20
Sous-couche1f7/2	8 états	→4ecouche:nombre magique = 28
Sous-couche2p3/2	4 états
Sous-couche1f5/2	6 états
Sous-couche2p1/2	2 états
Sous-couche1g9/2	10 états	→5ecouche:nombre magique = 50
Sous-couche1g7/2	8 états
Sous-couche2d5/2	6 états
Sous-couche2d3/2	4 états
Sous-couche3s1/2	2 états
Sous-couche1h11/2	12 états	→6ecouche:nombre magique = 82
Sous-couche1h9/2	10 états
Sous-couche2f7/2	8 états
Sous-couche2f5/2	6 états
Sous-couche3p3/2	4 états
Sous-couche3p1/2	2 états
Sous-couche1i13/2	14 états	→7ecouche:nombre magique = 126
Sous-couche2g9/2	10 états
Sous-couche3d5/2	6 états
Sous-couche1i11/2	12 états
Sous-couche2g7/2	8 états
Sous-couche4s1/2	2 états
Sous-couche3d3/2	4 états
Sous-couche1j15/2	16 états	→8ecouche:nombre magique = 184

La saturation d'une couche nucléaire confère aunoyau atomiqueune 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 électroniqueppériphérique. 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 82protonset 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.

Classification

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1

H

He

2

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

3

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

4

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

5

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

6

Cs

Ba

*

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

7

Fr

Ra

* *

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

↓

*

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

* *

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Tableau périodiquedeséléments chimiques

Chimieet physique se rejoignent sur ce point, de sorte que les notions relatives à ces deux domaines dessciencesse recouvrent à leur sujet. Ainsi, enphysique nucléaire,on appellenucléideunnoyau atomiquedéfini par un nombre déterminé deprotonset deneutrons,terme souvent confondu avec la notion équivalente d'isotope,qui relève davantage de lachimie.

Unélément chimiquese définit comme l'ensemble des atomes et desionsdont lenoyaucomporte 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 auXIX^esiècleet à l'origine dutableau périodique des éléments.On emploie indifféremment les termesisotope stableetnucléide stable,radioisotopeetradionucléide,ou encoreélément superlourdetatome superlourd.

Propriétés

Noyaux atomiques

Moment magnétique nucléaire

Précession deLarmord'unprotonsoumis à un champ magnétiqueB₀.

Lesparticules élémentairespos sắc dent unnombre quantiqueappeléspin,analogue à unmoment angulaireet mesuré en unités deconstante de Planckréduite (parfois appelée « constante de Dirac ») désignée par le symbole ℏ, qui se lit « h barre ». C'est également le cas desprotonset desneutronsdunoyau atomique,dont la résultante des spins se manifeste par unmoment magnétiquenucléaire. La valeur de ce dernier est spécifique à chaque noyau; à l'état fondamental,elle est nulle pour lesnucléidesayant à la fois un nombre pair de protons et un nombre pair de neutrons.

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 magnétiqueintense (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 gyromagnétiquedu noyau ciblé, ce qui permet de déterminer parspectroscopiela concentration spatiale de ce noyau — typiquement dans le domaine desradiofréquencespour les champs magnétiques ne dépassant pas 20T.

Énergie de liaison nucléaire

Énergie de liaison nucléaireparnucléonen fonction dunombre de massedesisotopesprincipaux.

Laliaison nucléaireest généralement décrite comme une manifestation résiduelle entrenucléonsde l'interaction nucléaire fortequi maintient ensemble lesquarksconstituant les nucléons. L'énergie de liaison nucléaireest définie comme l'énergie nécessaire pour arracher un nucléon quelconque au noyau considéré. Elle est de l'ordre de quelquesmégaélectron-voltspar nucléon, partant de 0 (par définition) pour leprotium¹H pour atteindre7,57MeV/Aavec l'uranium 238en passant par un maximum à8,795MeV/Apour lenickel 62.Cette propriété fondamentale explique pourquoi ce sont uniquement les atomes légers qui libèrent de l'énergie parfusion nucléairetandis que ce sont uniquement les atomes lourds qui libèrent de l'énergie parfission nucléaire:

• lafusion nucléairesurvient lorsque desnucléonsou des noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau atomique plus gros. Si l'énergie de liaison nucléaireparnucléonest plus élevée dans le nouveau noyau, il y a libération d'énergie: c'est le cas dans lesétoilesjusqu'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 lenucléidequi 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 ensupernovaedes grosses étoiles, que lesélémentsplus lourds que leferet lenickelsont formés;
• lafission nucléairen'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 nucléaireparnucléonest plus faible dans le noyau initial que dans lesproduits de fissionalors il y a libération d'énergie: c'est le cas pour les noyaux plus massifs que ceux dunickel 62;l'uraniumet leplutonium,par exemple, sont dans ce cas.

Stabilité nucléaire

La physique desnoyaux atomiquesest gouvernée par les troisinteractions fondamentalesdumodèle standardde laphysique des particules:l'interaction forte,l'interaction faibleet l'l'interaction électromagnétique.Chaque noyau atomique est défini par le nombre deprotonset deneutronsqu'il contient, ainsi que par sonénergie totale,l'ensemble définissant les différents « arrangements » desparticulesselon lesquels l'énergie totale du système peut être distribuée. Plus il y a d'arrangements possibles et plus le système est stable: l'état présentant le plus grand nombre d'arrangements possibles est appeléétat fondamental;c'est celui vers lequel tendent tous les autres états de ce système.

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 chimiquesont desisotopes stablespour lesquels le nombreNdeneutronsest à peu près égal au nombreZdeprotons,tandis qu'au-delà deZ= 20 le ratioN/Ztend vers 3/2. Lesisotopesinstables, appeléradioisotopes,connaissent unedésintégration radioactivequi leur permet de se rapprocher d'un état de plus grande stabilité.

Radioactivité

Lavallée de stabilitédesnucléidesdiverge de la diagonaleN=ZdèsZ= 20.

Laradioactivitédésigne l'ensemble des phénomènes physiques par lesquels unnucléideinstable réorganise sa structure nucléaire afin de gagner en stabilité. Ces phénomènes dedésintégration radioactivepeuvent être les suivants:

• désintégration α:lenoyau atomiqueémet uneparticule α⁴He pour s'alléger et, notamment, réduire sonnuméro atomique(et donc sacharge électrique). Ceci concerne surtout les noyaux lourds;
• désintégration β:il en existe plusieurs variantes, la principale étant l'émission d'unélectronet d'unantineutrino électroniquepar unneutronconverti enprotonsous l'effet de l'interaction faible(désintégration β⁻); ceci concerne les noyaux riches en neutrons. La réaction inverse est également possible: émission d'unpositronet d'unneutrino électroniquepar un proton converti en neutron (désintégration β⁺); ceci concerne les noyaux riches en protons. Lacapture électroniqueest 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(le⁴⁸Cadonnant du⁴⁸Ti) etdouble capture électronique(le⁷⁸Krdonnant du⁷⁸Separ 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'énergiesupérieurs à ceux de l'état fondamental:un ou plusieursphotons γsont émis au cours de la relaxation du noyau. Ceci est observé notamment lors d'unetransition isomérique(le^99mTcdonnant 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/Aest au moins égal à 45 (c'est par exemple le cas du²⁵²Cf);
• radioactivité de clusters:il s'agit d'unmode de désintégrationtoujours marginal, ayant unrapport de branchementde l'ordre de 10^-10(avec l'exception notable du¹¹⁴Baémettant du¹²C), consistant en l'émission de noyaux atomiques de petite taille mais plus gros qu'une particule α;
• conversion interne:unisomère nucléaireretombe à sonétat fondamentalen 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.

Chaqueradioisotopeest caractérisé par unepériode radioactive,qui correspond au temps nécessaire pour que la moitié des atomes de cet isotope se soit désintégrée. Un mêmenucléidepeut connaître plusieursmodes de désintégration,la proportion relative de chacun de ces modes étant appeléerapport de branchement.

Îlot de stabilité

Localisation théorique de l'îlot de stabilité.

Certaines théories extrapolent les résultats dumodèle en coucheset les propriétés desnombres magiquesen prédisant l'existence d'unîlot de stabilitéparmi lesnucléidessuperlourds, pour un nombre magique de184 neutronset — selon les théories et les modèles —114,120,122ou126protons. 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 αavec unepériode radioactivede quelques microsecondesUn îlot de relative stabilité pourrait néanmoins exister autour dudarmstadtium293, correspondant aux nucléides définis parZcompris entre104et116,etNcompris entre 176 et 186: cesélémentspourraient avoir desisotopesprésentant despériodes radioactivesatteignant quelques minutes.

Limite à la taille des noyaux

Le plus lourd desnucléidessynthétisés jusqu'à présent est l'isotope²⁹⁴Oget les recherches se poursuivent auGSIafin de produire l'isotope³⁰²120.On ignore précisément jusqu'à combien denucléonsunnoyau atomiquepeut contenir: on estime habituellement la limite d'observabilité expérimentale à environZ≈ 130et la limite théorique à Z = 173: un174^eproton(ouneutron) conférerait à la couche nucléaire 1s_1/2une énergie de−511keV,égale à la masse au repos d'unélectronou d'unpositron;un tel noyau serait donc instable par rapport à ladésintégration β.

Nuage électronique

Si les propriétés nucléaires de l'atome (masse, énergie nucléaire, radioactivité,etc.) relèvent de laphysique,et particulièrement de laphysique nucléaireet de laphysique des particules,les propriétés des nuages électroniques des atomes (taille,énergie d'ionisation,conductivité électrique,valence,etc.) relèvent essentiellement de lachimieet de lascience des matériaux.

Taille des atomes

Le nuage électronique d'un atome n'a pas de dimensions bien définies car il consiste en une superposition d'orbitales atomiquesde natureprobabiliste.Il n'existe donc pas de définition unique ni de mesure définitive de la taille des atomes: celle-ci est généralement définie en termes de distance moyenne entre noyaux d'atomes liés entre eux, mais cette distance varie en fonction de la nature chimique des atomes environnants, du nombre et de la géométrie des liaisons dans lesquelles l'atome est engagé, ou encore de la nature de ces liaisons (métallique,covalente,ionique,etc.). Une valeur théorique de l'extension des orbitales atomiques peut néanmoins être calculée pour chaque noyau atomique, ce qui donne une valeur en excès par rapport aux méthodes empiriques fondées sur la géométrie des maillescristallines,ou aux mesures effectuées sur desmolécules:

H 53

He 31

Li 167

Be 112

B 87

C 67

N 56

O 48

F 42

Ne 38

Na 190

Mg 145

Al 118

Si 111

P 98

S 88

Cl 79

Ar 71

K 243

Ca 194

Sc 184

Ti 176

V 171

Cr 166

Mn 161

Fe 156

Co 152

Ni 149

Cu 145

Zn 142

Ga 136

Ge 125

As 114

Se 103

Br 94

Kr 88

Rb 265

Sr 219

Y 212

Zr 206

Nb 198

Mo 190

Tc 183

Ru 178

Rh 173

Pd 169

Ag 165

Cd 161

In 156

Sn 145

Sb 133

Te 123

I 115

Xe 108

Cs 298

Ba 253

*

Lu 217

Hf 208

Ta 200

W 193

Re 188

Os 185

Ir 180

Pt 177

Au 174

Hg 171

Tl 156

Pb 154

Bi 143

Po 135

At 127

Rn 120

Fr

Ra

**

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

↓

*

La 226

Ce 210

Pr 247

Nd 206

Pm 205

Sm 238

Eu 231

Gd 233

Tb 224

Dy 228

Ho 226

Er 226

Tm 222

Yb 222

**

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Tableau périodique des élémentsindiquant leur rayon atomique théoriqueenpicomètres

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'ungroupedutableau périodique des éléments,la taille des atomes augmente en raison de l'occupation d'orbitales atomiques denombre quantique principalncroissant, 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.

Lacontraction des lanthanidesillustre bien ce dernier phénomène, et est à l'origine du fait que les atomes desmétaux de transitiondescinquièmeetsixième périodesont des tailles à peu près égales: à peine deuxpicomètresde plus pour lehafniumet letantaleque pour lezirconiumet leniobium;il s'ensuit une augmentation sensible de lamasse volumiquedes métaux correspondants, par exemple 6,5 et 13,3g/cm³respectivement pour lezirconiumet lehafnium— soit plus qu'un doublement.

Liaisons chimiques

Modèle demoléculedethéobromine,unalcaloïdeimportant duchocolat.Les couleurs des atomes sont conventionnelles:
- noir ou anthracite pour lecarbone
- bleu pour l'azote
- rouge pour l'oxygène
- blanc ou gris clair pour l'hydrogène.

L'une des propriétés les plus remarquables des atomes est leur propension à former toute une variété deliaisons chimiquesavec d'autres atomes, afin de constituer desédifices moléculaires,descristaux,voire desagrégats atomiques(clusters,«superatomes»). Ces liaisons résultent du recouvrement d'orbitales atomiquesappartenant à deux atomes pour former uneorbitale moléculaireoccupée par deuxélectronsprovenant chacun d'un des deux atomes engagés dans la liaison (on parle dans ce cas deliaison covalente), mais peuvent aussi provenir de l'attractionélectrostatiqueentre atomes decharge électriqueopposée (uncationpositif et unanionnégatif: on parle alors deliaison ionique).

Laréactivité chimiquedes atomes dépend du nombre d'électronsqu'ils pos sắc dent dans leurssous-couches électroniquespériphériques (sous-couchessetp) — lesélectrons de valence.En vertu de larègle de l'octet,chaque atome tend en effet à atteindre un état où ses sous-couchessetppériphériques sont saturées d'électrons: deux électrons dans la sous-coucheset six électrons dans la sous-couchep.Par exemple, l'hydrogènen'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 raresles plus légers tels que l'héliumet lenéon,avec respectivement deux électrons dans la sous-couche 1set 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 raresconcernant les gaz rares plus lourds, qui présentent une réactivité chimique non nulle en raison de l'écrantage dunoyaupar lesélectrons de cœurqui rend les électrons périphériques plus mobilisables.

La liaison covalente est une liaison forte: celle qui unit les deux atomes d'iodede la moléculeI₂n'est que de 151kJ/mol,mais atteint436kJ/molpour la moléculeH₂,498kJ/molpourO₂,et945kJ/molpourN₂.

Naturemétallique,semiconductriceetisolanted'un matériau selon lathéorie des bandes.

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 électriquedes 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'halogènedéficitaire en électrons et facilement polarisable peut former uneliaison halogèneavec les atomes ougroupements fonctionnelsriches en électrons, tels que des dérivés oxygénés ou azotés. De même, une molécule ayant un atome d'hydrogèneacide 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.

Électronégativité et affinité électronique

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'électronégativitéd'un atome. Elle dépend en premier lieu de leurnuméro atomiqueet, corrélativement, de l'intensité de la liaison entre lenoyau atomiqueet desélectrons de valence.Elle est généralement évaluée à l'aide de l'échelle de Pauling,du nom deLinus Paulingqui la mit au point en 1932.D'autres méthodes d'évaluation donnent des résultats légèrement différents, mais toutes révèlent les mêmes tendances à travers letableau périodique.

H 2,2

He

Li 0,98

Be 1,57

B 2,04

C 2,55

N 3,04

O 3,44

F 3,98

Ne

Na 0,93

Mg 1,31

Al 1,61

Si 1,9

P 2,19

S 2,58

Cl 3,16

Ar

K 0,82

Ca 1

Sc 1,36

Ti 1,54

V 1,63

Cr 1,66

Mn 1,55

Fe 1,83

Co 1,88

Ni 1,91

Cu 1,9

Zn 1,65

Ga 1,81

Ge 2,01

As 2,18

Se 2,55

Br 2,96

Kr 3

Rb 0,82

Sr 0,95

Y 1,22

Zr 1,33

Nb 1,6

Mo 2,16

Tc 1,9

Ru 2,2

Rh 2,28

Pd 2,2

Ag 1,93

Cd 1,69

In 1,78

Sn 1,96

Sb 2,05

Te 2,1

I 2,66

Xe 2,6

Cs 0,79

Ba 0,89

*

Lu 1,27

Hf 1,3

Ta 1,5

W 2,36

Re 1,9

Os 2,2

Ir 2,2

Pt 2,28

Au 2,54

Hg 2

Tl 1,62

Pb 2,33

Bi 2,02

Po 2

At 2,2

Rn 2,2

Fr 0,7

Ra 0,9

**

Lr 1,3

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

↓

*

La 1,1

Ce 1,12

Pr 1,13

Nd 1,14

Pm 1,13

Sm 1,17

Eu 1,2

Gd 1,2

Tb 1,1

Dy 1,22

Ho 1,23

Er 1,24

Tm 1,25

Yb 1,1

**

Ac 1,1

Th 1,3

Pa 1,5

U 1,38

Np 1,26

Pu 1,28

Am 1,13

Cm 1,28

Bk 1,3

Cf 1,3

Es 1,3

Fm 1,3

Md 1,3

No 1,3

Tableau périodique des élémentsindiquant leurélectronégativitéselon l'échelle de Pauling

La lecture de ce tableau permet de dégager deux tendances principales:

• lorsqu'on parcourt de haut en bas unecolonnedu tableau, l'électronégativité diminue car les électrons de valence sont séparés du noyau par un nombre croissant desous-couches électroniqueset sont donc de moins en moins liés à lui, d'où une affinité d'intensité décroissante;
• lorsqu'on parcourt de gauche à droite unepériodedu tableau, l'électronégativité est minimale à gauche et maximale à droite; cela provient du fait que lesalcalinsont plutôt tendance à perdre un électron qu'à en gagner pour acquérir laconfiguration électroniqued'ungaz rare,tandis que leshalogènesont fortement tendance à gagner un électron pour saturer leursous-couchepet 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 raresn'existant que pour lekryptonet, surtout, lexénon— leradonest tropradioactifpour 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 sensucorrespondant à l'électronégativité est appeléeaffinité électroniqueet correspond à l'énergie libérée par l'adjonction d'unélectronà un atome neutre pour former unanion.Il s'agit donc d'unegrandeur physiquemesurable, contrairement à l'électronégativité.

H 73

He 0

Li 60

Be 0

B 27

C 122

N 0

O 141

F 328

Ne 0

Na 53

Mg 0

Al 42

Si 134

P 72

S 200

Cl 349

Ar 0

K 48

Ca 2

Sc 18

Ti 8

V 51

Cr 65

Mn 0

Fe 15

Co 64

Ni 112

Cu 119

Zn 0

Ga 41

Ge 119

As 79

Se 195

Br 324

Kr 0

Rb 47

Sr 5

Y 30

Zr 41

Nb 86

Mo 72

Tc 0

Ru 101

Rh 110

Pd 54

Ag 126

Cd 0

In 39

Sn 107

Sb 101

Te 190

I 295

Xe 0

Cs 46

Ba 14

*

Lu 33

Hf

Ta 31

W 79

Re 14

Os 104

Ir 150

Pt 205

Au 223

Hg 0

Tl 36

Pb 35

Bi 91

Po

At

Rn 0

Fr

Ra

**

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

↓

*

La 45

Ce 55

Pr 93

Nd

Pm

Sm

Eu 11

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm 99

Yb 0

**

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Tableau périodique des élémentsindiquant leuraffinité électroniqueenkJ/mol.
(les valeurs à 0 indiquent une affinité électronique négative ou nulle)

Les valeurs représentées par unastérisquedans le tableau ci-dessus sont voisines de zéro d'après l'interprétationquantiquede laconfiguration électroniquedes 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 leshalogèneset sensiblement plus faible pour lesmétaux alcalinset, surtout,alcalino-terreux.

Magnétisme

Orientation desmoments magnétiquesdes atomes dans un matériauferromagnétique.

Lévitation pareffet Meissnerd'unaimantau-dessus d'un matériausupraconducteurrefroidi à l'azote liquide.

Comme lesnucléons,les électrons pos sắc dent unspin,analogue à unmoment angulaire,intrin sắc que 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 magnétiqueautour de l'atome. Lorsque deux électrons occupent unecase quantiquede 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 lesionsqui ont un nombre impair d'électrons ont par conséquent unmoment magnétiquerésultant non nul provenant du spin de leurs électrons.

Les matériauxferromagnétiquesont la particularité d'orienter dans la même direction les moments magnétiques de leurs atomes parinteraction d'échange,ce qui crée unchamp magnétiquemacroscopique: c'est le cas, par exemple, de lamagnétiteFe₃O₄.Certains matériaux orientent au contraire les moments magnétiques de leur atomes dans des directions alternativement opposées, ce qu'on appelle «antiferromagnétisme».

Les matériauxparamagnétiquesrévèlent leur magnétisme intrin sắc que uniquement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, qui aligne le moment magnétique de leurs atomes tant qu'il est présent (susceptibilité magnétiquepositive); 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-couchesdetfont des propriétés magnétiques intenses car ces électrons sont fortement localisés; en particulier, leslanthanidesfont desaimantsparticulièrement puissants en raison de leur moment magnétique induit par jusqu'à sept électrons non appariés — notamment lenéodymeet lesamarium.Il existe une méthode d'analysespectroscopiquesous 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,lebismuthet surtout les matériauxsupraconducteurs(effet Meissner).

Fluorescence et phosphorescence

Un électron d'un atome peut êtreexcitépar absorption d'unphotonincident, ce qui le fait occuper uneorbitale atomiqued'énergie supérieure à celle de sonétat fondamental.De nombreusesmoléculesaromatiquesou présentant desliaisons πconjuguéessont 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:

Un exemple dephosphorescence:poudre desilicate-aluminate destrontiumdopé à l'europiumvu enlumière visible,dans le procheultraviolet,et dans l'obscurité totale.

• lafluorescenceconsiste 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 20ns:la fluorescence cesse donc dès que l'éclairage cesse. Lalongueur d'ondeémise est supérieure à celle de la lumière absorbée, ce qui permet par exemple d'obtenir des effets esthétiquement intéressants par éclairageultravioletde matériaux fluorescents émettant dans lespectre visible;
• laphosphorescencediffère de la fluorescence en ce que la relaxation fait intervenir unétat tripletentre les deuxétats singuletsque sont l'état excitéet 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 demeurentcinétiquementtrès défavorisées, ce qui explique que la phosphorescence soit un phénomène pouvant persister pendant, parfois, plusieurs heures.

Raies spectrales

Spectre continu

Raies d'émission

Raies d'absorption

L'interaction d'atomes avec unrayonnement électromagnétiquepeut également se traduire par l'apparition de raies d'absorption ou d'émission à certaineslongueurs d'ondeparticulières sur unspectrepar ailleurs continu. Ces longueurs d'onde correspondent à l'énergie de transition entrecouches électroniquesetsous-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 chaquemoléculeouradical libre,pos sắc de ainsi une signature spectrale caractéristique, très employée par exemple enastrophysiquepour 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 magnétiquedans 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 magnétiquedespindes 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 électriquepeut être détectée dans le spectre de la même façon, cette fois en raison de l'effet Stark.
• Lavitesse radialedu 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 enastronomiepour évaluer la distance d'un objet à partir de sonredshiften appliquant laloi de Hubble.

États de la matière

Lampe à plasma,objet de décoration très en vogue dans les années 1980. La lumière est émise lors de la recombinaison desélectronsavec lescationsduplasma,soulignant le phénomène de filamentation du courant dans le globe.

Lamatière baryoniquepeut exister à l'état solide,liquideougazeuxselon 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 matièremoins courants surTerreet qui dérivent des précédents:

• lesplasmassont un gaz d'atomes fortement ionisés dans un gaz d'électrons libres. Ce sont donc des milieux conducteurs. Il s'agit de l'état de la matière de loin le plus courant dans l'univers:lesétoilessont entièrement à l'état de plasma, lemilieu interplanétaireduSystème solaireest balayé par levent solaire,qui est un plasma, et des plasmas constituent l'essentiel dumilieu interstellaireet de l'espace intergalactique.SurTerre,leséclairssont également des plasmas, de même que lesaurores polaires;
• lescondensats de Bose-Einsteinsont 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 quantiquede plus faible énergie dans le puits de potentiel, de sorte que leursfonctions d'ondese recouvrent au point de révéler à l'échelle macroscopique des effets quantiques ponctuels (à l'échelle de l'atome) inobservables à température plus élevée;
• lessupersolidesseraient un état non confirméde la matière aux atomes ordonnés comme uncristalmais dont leslacunesse comporteraient comme uncondensat de Bose-Einsteinsuperfluide.

Formation et évolution des atomes

Les atomes constituent environ 4 % de l'énergie totale observable de l'univers,avec une concentration moyenne d'un atome pour quatre mètres cubes.Dans lemilieu interstellaired'unegalaxietelle 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 duSoleilsoit bien plus ténu: à peine cinquante mille atomes par mètre cube, ce qui définit précisément labulle localecomme une cavité dans le milieu interstellaire formée par l'explosion desupernovasvoisines il y a deux à quatre millions d'années.Lesétoilesse forment à partir de nuages denses, et les réactions defusion nucléairequi se déroulent en leur sein conduisent à la formation d'éléments chimiques plus lourds que l'hydrogène,l'héliumet lelithiumproduits 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.

Nucléosynthèse

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 lelithiumet 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 premiersquasarsetétoilesse seraient formés après 150 millions d'années.

Coupe d'uneétoilegéante rouge,avant son explosion ensupernova,montrant les différentes couches séparées par les zones où se déroulent les étapes successives de lanucléosynthèse stellaire.

Lanucléosynthèse stellaireaurait alors pris le relais pour former tous leséléments chimiquesjusqu'auferparfusionsuccessive de noyaux d'hélium:

• fusion de l'hydrogène:
  • réaction proton-proton,
  • cycle carbone-azote-oxygène(CNO);
• fusion de l'hélium:
  • réaction triple Alpha,
  • réaction Alpha;
• fusion des éléments plus lourds jusqu'aufer:
  • Fusion du carbone,
  • Fusion du néon,
  • Fusion de l'oxygène,
  • Fusion du silicium.

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.

Sur Terre

Selon toute vraisemblance, la grande majorité des atomes qui constituent laTerreétaient déjà présents dans lanébuleuse solaire,dont l'effondrement gravitationnelaurait engendré lesystème solaire.Les atomes apparus depuis proviennent le plus souvent de ladésintégration radioactived'éléments primordiaux instables, et lesrapports isotopiquesdesélémentscorrespondants offrent le moyen d'évaluer l'âge de la Terrepardatation radiométrique.Par ailleurs, l'abondance naturellede l'hélium 3sur Terre par rapport à l'hélium 4des gisements degaz naturelpermet de déduire que 99 % de l'hélium 4 terrestre provient de laradioactivité α.D'autres atomes, qualifiés de « cosmogéniques, » proviennent de l'interaction desrayons cosmiquesavec l'atmosphère terrestre:c'est le cas bien connu ducarbone 14,mais aussi, par exemple, dubéryllium 10.Enfin, de très nombreux atomes synthétiques sont produits en laboratoire à des fins essentiellement scientifiques, parfois militaires, rarement industrielles (en raison du coût prohibitif des matériaux ainsi produits), tels que lesilicium 42(pour valider certaines hypothèses sur lemodèle en couchesdécrivant lastructure nucléaire), leplutonium 239(matériau de choix pour lesarmes nucléaires), letechnétium 99m(très utilisé enmédecine nucléaire) ou encore l'américium 241(employé industriellement dans lesdétecteurs de fumée).

Atomes de Rydberg

Sous certaines conditions, il est possible d'exciter des atomes, par exemple avec unlaser à colorant,pour placer certains de leurs électrons dans desorbitales atomiquescorrespondant à unnombre quantique principalnégal à plusieurs dizaines d'unités, voire supérieur à 100.De tels atomes sont appelésatomes de Rydberg.Ils ont des propriétés remarquables, telles qu'une très grandesusceptibilité électriqueetmagnétique,une relative stabilité, et desfonctions d'ondeélectroniquesapprochant, dans une certaine mesure, l'orbite décrite par un électron en mécanique classique autour dunoyau.Lesélectrons de cœurécrantent lechamp électrostatiquedu noyau du point de vue de l'électron périphérique, pour lequel le potentiel du noyau est identique à celui d'un atome d'hydrogène.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'hydrogènecorrespond à un rayon atomique d'environ 1μm,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'ionisationy 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 électriquesoumagnétiquessusceptible de provoquer leur retour à l'état fondamental. Laraie spectraleà 2,4GHzrévélatrice de la transition denombre quantique principalentren= 109etn= 108de l'atome d'hydrogène est ainsi très fréquemment observée par lesastronomes.

Compte tenu de leursusceptibilité électriqueetmagnétiquetrès élevée, les propriétés électriques et magnétiques des milieux contenant une proportion significative d'atomes de Rydbergsont sensiblement altérées par leur présence.

Formes atomiques rares ou hypothétiques

Différentes formes d'atomes exotiquesont été conjecturées, et parfois observées. C'est le cas, par exemple, des atomes muoniques, dans lesquels unélectronest 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 2,2μs— 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 standardde laphysique des particules,notamment lesinteractions élémentaires.

L'interaction d'unpositronavec unantiprotondonne un atome d'antihydrogène,qui est un atome d'antimatière.Il existea prioriun «antiatome» pour chaque atome; la production d'antimatière demeure néanmoins une expérience particulièrement coûteuse en énergie, et seul l'antihydrogène¹Ha 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 synthétiquessont, à deux exceptions près,destransuraniens,qui sont de plus en plus instables à mesure que leurnuméro atomiqueaugmente.

Histoire du concept d'atome

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.

Antiquité: un concept philosophique

Il est possible que diverspeuplesaient 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 antiqueauV^esiècleav. J.-C.,chez lesphilosophesprésocratiques,notammentLeucippe(environ460-370 av. J.-C.),Démocriteet plus tardÉpicure.La théorieatomistesera ensuite magnifiquement exposée par le RomainLucrècedans 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.» 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.

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'atomismeest 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 dumatérialismeet de la séparation de la science et de lareligion.Cependant, même si l'empirismeépicurientente d'établir cette hypothèse sur des basesscientifiques,l'atome demeure une intuition sans confirmation.

La chimie duXVIII^esiècle — les éléments

Depuis des millénaires, on a remarqué que les produits se transforment: lefeu,lamétallurgie,lacorrosion,lavie,lacuissondes aliments, ladécompositionde lamatière organique,etc.Par exemple, pourEmpédocle,les transformations de lamatières'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, lesalchimistesont étudié ces transformations et remarqué qu'elles suivent des règles bien précises. Vers1760,des chimistesbritanniquescommencent à s'intéresser aux gaz produits par les réactions, afin d'en mesurer le volume et de les peser. Ainsi,Joseph Black,Henry CavendishetJoseph Priestleydécouvrent 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 duXVIII^esiècle,pour expliquer la combustion; cette théorie fut balayée parLavoisier.)

Antoine Lavoisierénonce en1775que:« 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/oxússignifie « piquant » en grec) — hydrogène: qui produit de l'eau… Par exemple, en1774,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); en1785,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/lúsissignifie « 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.

La physique duXVIII^esiècle — les particules

Un autre pas, fait en parallèle, vient de l'étude des propriétés des gaz et de la chaleur (thermodynamique).

Lesfluides(liquides et gaz) sont étudiés en Europe depuis l'Antiquité, mais c'est au milieu duXVII^esiècle que l'on commence vraiment à cerner leurs propriétés, avec l'invention duthermomètre(thermoscope deSantorre Santario,1612), dubaromètreet du vide pompé (Evangelista Torricelli,1643), l'étude de l'expansion des gaz (Gilles Personne de Roberval,1647), lapression atmosphérique(Blaise PascaletFlorin Périer,1648), les relations entre pression et volume (Robert Boyleen1660,Edme Mariotteen1685), la notion dezéro absolu(Guillaume Amontons,1702),etc.

René Descartes(mathématicien, physicien et philosophe français) émet l'idée, en1644,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 Newtonavec l'attraction universelleen1687).

Cependant, cette notion de corpuscules inspire d'autres scientifiques. Les mathématiciens suissesJakob Hermann(1716) etLeonhard Euler(1729), mais surtout le physicien suisseDaniel Bernoulli(1733), 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 duXVIII^esiècle: 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,1772). L'abbéRené Just Haüy,en1781,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.

XIX^esiècle — le triomphe de l'atome

À ce stade, ressortent trois notions:

• les corps chimiques sont décomposables en substances élémentaires;
• les gaz sont composés de corpuscules qui tourbillonnent et s'entrechoquent;
• les cristaux sont composés de cellules dont la forme détermine la forme extérieure du cristal.

Ces notions ont en commun le fait que la matière homogène est composée de corpuscules tous semblables entre eux, mais trop petits pour être visibles. Les découvertes duXIX^esiècle permettent de faire converger ces trois notions, et d'établir les notions de molécule et d'atome.

John Dalton,en1804,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(dans un mélange de gaz, la contribution d'un gaz donné à la pression totale). Il fut le premier à émettre les idées de lathéorie atomique.

En1807,Joseph Louis Gay-Lussac,établit la loi reliant la température et la pression d'un gaz. En1808,il établit que les gaz réagissent 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), en1811,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(1827) etWilliam Prout(1834) arrivent à la même conclusion.

En1813,Jöns Jacob Berzeliusinventa 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 qui le proposa.

En1821,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,en1827,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,en1840,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,en1847,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,en1849,détermine les 32 réseaux cristallins possibles.

En1858,Stanislao Cannizzaroinsiste 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 déduite 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, en1859,James Clerk Maxwellintroduit la notion de dispersion statistique des vitesses des molécules dans la cinétique des gaz. Ceci permet àLudwig Boltzmann,en1858,d'estimer la taille des molécules et de définir la répartition statistique des vitesses dans un gaz.

En1863,John Newlandspublie le premiertableau périodique des éléments,ordonnés en fonction de leur masses atomiques relatives, et émet l'hypothèse, en1865,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), en1869,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.

Bilan

La notion d'atome et de molécule a donc permis le succès de lathermodynamiquestatistique, de lachimieet 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 leXX^esiècle, et notamment:

• la découverte de l'électron (Joseph John Thomson,1897);
• les expériences de déviation des particules Alpha par la matière (Ernest Rutherford,1911);
• les expériences de diffraction des rayons X sur les cristaux (Max von Laue,1912).

Historique des modèles de l'atome

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 deRutherfordque 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 Picardobserve 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 GeissleretJulius Plückerdécouvrent 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. Thomsonétablit 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 Planckmontre la quantification des échanges d'énergie dans la matière (recherches sur lecorps noir);
• 1911:expérience de Rutherford:il bombarde une feuille d'orpar 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 Bohrréunit 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 Hertzvalide 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;
• 1924:Louis de Brogliepostule la dualité onde-corpuscule;
• 1926:Schrödingermodélise 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.

Modèles obsolètes

Les modèles présentés dans cette section sont trop éloignés de la réalité pour pouvoir être utilisés. Ils ne sont présentés ici qu'à titre historique.

Modèle de J.J. Thomson ou modèle de l'électron élastiquement lié à l'atome

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, baignaient dans une « soupe » positive, à l’image despruneauxdans lefar breton(ou dans leplum-puddingpour les Britanniques ou encore comme des raisins dans un gâteau). Ce modèle fut invalidé en1911par l'expérience d’un de ses anciens étudiants,Ernest Rutherford.

Modèle planétaire de 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 bombarda une fine feuille d'or par un faisceau departicules Alpha(particules de charges électriques positives). Il observa que les particules étaient déviées faiblement, ce qui ne correspondait 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 grandvideexiste.

Ce modèle fut très vite mis en défaut par leséquations de Maxwelld'une part, qui prédisent que toute charge accélérée rayonne de l'énergie, et par les expériences montrant la quantification des niveaux d'énergie d'autre part.

Modèles approchés couramment employés

Modèle des sphères dures

Le modèle le plus simple pour représenter un atome est une boule indéformable. Ce modèle est très utilisé encristallographie.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 durespour 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?

Modèle de Bohr

Modèle de l’atome de Bohr: un modèle planétaire dans lequel les électrons ont des orbites définies.

Un modèle fut développé parNiels Bohren1913à partir des propriétés mises en évidence parPlancketRutherford.Dans le modèle dessphères dures,l’atome est un objet entier, indécomposable. Or, on sait depuis le milieu duXIX^esiècleque l’on peut en « arracher » des particules portant une charge électrique négative, les électrons. Dans le modèle de Bohr, l’atome est composé d’un noyau chargé positivement, et d’électrons tournant autour, les rayons des orbites des électrons ne pouvant prendre que des valeurs bien précises.

Le noyau est très compact, d’un diamètre d’environ 10^-15à 10^-14m, 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 phénomènesspectroscopiquesfondamentaux, 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, il ne pos sắc de 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 émission discrète 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.

Cependant, très vite, le modèle de l’atome de Bohr ne permettra pas d’expliquer l’ensemble des observations (effet Zeeman,etc.). Il faut attendre 1924-1926 pour qu’avec Schrödinger, les orbites deviennent orbitales avec des énergies stationnaires: lamécanique quantiqueest née.

Modèle actuel: modèle de Schrödinger

La naissance de la mécanique ondulatoire deLouis de Broglieen1924,généralisée parErwin Schrödingeren1926amène à proposer un nouveau modèle, dont les aspects relativistes furent décrits parPaul Diracen1928;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 se douter 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 lanormereprésente 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.

Imaginonsque 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 quantiquedémontre 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, lesnuagescorrespondant 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'échangeamènent 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 planOxypassant par le centre de l'atome, la densité ponctuelle$p(r)$est représentée par des niveaux de gris: elle est maximale au centre et décroît continûment en s'en éloignant. (2) Dans un diagrammeOrPon a tracé legraphede la densité radiale$P(r)$:elle croît depuis 0 puis décroît jusqu'à 0, et prend son maximum à une distance$r_{1}$égale au premier rayon de Bohr.

Soit$p(r,\theta,\phi )$la densité de probabilité de présence de l'électron au point decoordonnées sphériques$(r,\theta,\phi )$.Par définition de cette densité, la probabilité que l'électron se trouve dans l'élément de volume$\mathrm {d} ^{3}V=r^{2}\sin \theta \,\mathrm {d} r\,\mathrm {d} \theta \,\mathrm {d} \varphi$entourant le point$(r,\theta,\phi )$est$p(r,\theta,\phi )\,\mathrm {d} ^{3}V$.Dans l'état fondamental, la densité de probabilité est de symétrie sphérique, c'est-à-dire quepne dépend pas deθni deφ:on peut la noter plus simplement$p(r)$.On montre que$p(r)$est maximale pour$r=0$(et décroît jusqu'à 0 quand$r\to \infty$); 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,$P(r)$.Par définition de cette densité, la probabilité que l'électron se trouve dans une couronne sphérique d'épaisseur$\mathrm {d} r$autour de ladistance radialer,de volume$\mathrm {d} V=4\pi r^{2}\mathrm {d} r$,est$P(r)\,\mathrm {d} r$,donc$P(r)=4\pi r^{2}p(r)$.On montre que$P(r)$est une fonction croissante puis décroissante der,nulle pour$r=0$et$r\to \infty$et maximale pour$r=r_{1}$où$r_{1}$est le rayon de la première orbite du modèle de Bohr (0,052 9nm). Autrement dit, la distance du centre de l'atome à laquelle l'électron a le plus de chances de se trouver est$r_{1}$.

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 |$2sp_{z}$> de l'atome d'hydrogène, coupe contenantOzaxe de symétrie de l'orbitale atomique. Pour cet exemple, l'axeOzdevient 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 distancer₁du maximum de densité au noyau.

On notera pour terminer que descorrections relativistessont 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).

Noyau atomique

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,bêtaetgamma,dont les premières observations dataient de la dernière décennie duXIX^esiècle.

La décennie qui précéda laSeconde Guerre mondialemena à la découverte des deux interactions maîtresses de la stabilité du cœur: l'interaction forteet l'interaction faible.La petitesse de la portée de ces deux interactions, respectivement 10^-15m et 10^-18m explique les difficultés expérimentales rencontrées. Les difficultés théoriques ne manquent pas, non plus; il ne s'agit pas de lois physiques aussisimplesque celles de l'électromagnétisme,même compliquées par lamécanique quantique,mais de la compréhension de toutes les particules élémentaires… L'invention desquarkset desgluonsdonne 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 lanaissancede l'univers et de la dynamique des étoiles.

Notation

Un atome est couramment désigné par son symbole chimique, complété par sonnombre de masseA (égal au nombre denucléonsde l'atome) placé en haut et à gauche du symbole.

Exemple: lecarbone12 de nombre de masse 12 est noté${}^{12}\mathrm {C} \,$.

Il est d'usage de compléter cette écriture par lenuméro atomiqueZ, placé en bas et à gauche du symbole, pour décrire uneréaction nucléairedans laquelle intervient unisotope.

Le carbone 12 est ainsi noté${}_{\ 6}^{12}\mathrm {C} \,$.

Ainsi, le carbone 14${}_{\ 6}^{14}\mathrm {C} \,$et le carbone 12${}_{\ 6}^{12}\mathrm {C} \,$sont deuxisotopes.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

• Michel Chauvin,De l'atome au nucléaire: un siècle de prouesses scientifiques et d'enjeux politiques,Presses internationales Polytechnique,2009(présentation en ligne).
• Bernard Fernandez,De l'atome au noyau: une approche historique de la physique atomique et de la physique nucléaire,Ellipses,2018(EAN978-2-340-025158,présentation en ligne)
• Ben Still,La vie secrète des atomes - Les mystères des 118 éléments qui constituent la matière,Dunod,2017
• (en)M. Russell Wehr et James A. Richards,Jr.,Physics of the atom,Addison-Wesley Pubishing Company.

Filmographie

• Le roman de l'atome,documentaire

Articles connexes

• Nucléosynthèse
• Réaction chimique
• Réaction nucléaire
• Règle de l'octet
• Règle du duet
• Orbitale atomique
• Atome d'hydrogène
• Raie à 21 centimètres

Liens externes

• « Atome: voyage au centre de la matière »,Eurêka!,France Culture, 5 juillet 2022.
• (en)Fundamental Physical Constants – Complete Listing
• Alfred Kastler,Le concept d'atome depuis cent ans[PDF]
• Masses des atomes classés par ordre Alpha bétique,suratomer.fr
• (en)Sketching of History of Statistical Mechanics and Thermodynamics
• La taille des atomes,Astronoo
• [vidéo]e-penser,L'atome(partie 1etpartie 2), sur YouTube