atome - physique.

« 5.1 Premières découvertes Vers la fin du XIXe siècle, on découvrit que l'atome n'est pas un élément de matière indivisible, comme le croyaient les Anciens.

En 1895, le physicien allemand Wilhelm Conrad Röntgen découvrit les rayons X, capables de pénétrer dans des feuilles de plomb.

En 1881, le physicien britannique Joseph John Thomson supposa l'existence departicules chargées négativement et baptisées dix ans plus tard électrons par C.

Johnstone Stoney.

En 1896, Henri Becquerel découvrit que certaines substances, comme lessels d'uranium, émettent des rayons pénétrant la matière.

Les recherches de Pierre et Marie Curie aboutirent à l'identification de ces composés « radioactifs ».

ErnestRutherford montra ensuite que l'uranium et certains autres éléments lourds, tels que le thorium et le radium, émettent trois sortes de rayonnements, appelés à l'originerayons alpha ( α), bêta (β) et gamma ( g).

Les deux premiers, dont on établit que ce sont des particules chargées électriquement, sont maintenant appelés particules alpha et bêta.

En 1899, Becquerel montra que les particules bêta sont en fait des électrons ; en 1909, Rutherford établit que les particules alpha sont des atomes d'hélium ionisés.

Ildevint donc évident que l'atome est bien constitué de plusieurs particules.

On découvrit que les rayons gamma sont des ondes électromagnétiques semblables aux rayons Xmais avec des longueurs d'onde inférieures.

( Voir électromagnétique, rayonnement ; radioactivité.) 5.2 Atome de Rutherford La connaissance de la nature des émissions radioactives permit aux physiciens d'explorer plus avant la structure de l'atome.

D'après le résultat de nombreuses recherches,on sait que l'atome est essentiellement constitué d'espace vide.

Au cœur de cet espace se trouve le noyau, dont le diamètre est égal à 1/10 000 du diamètre de l'atome.Rutherford établit que la masse de l'atome est concentrée dans son noyau, et il suggéra que les électrons chargés négativement gravitent autour de ce dernier.

Le nombred'électrons étant égal au nombre de charges positives du noyau, ou protons, l'atome est donc électriquement neutre, sauf s'il est ionisé. 5.3 Atome de Bohr Pour expliquer la structure de l'atome, le physicien danois Niels Bohr développa en 1913 la théorie qui porte son nom ( voir quantique, théorie), fondée sur le modèle de Rutherford.

Il admit que les électrons sont disposés dans des couches bien déterminées, ou niveaux quantiques, à une distance relativement importante du noyau.

Ladisposition de ces électrons est la configuration électronique de l'atome.

Le nombre d'électrons est égal au numéro atomique de l'atome.

Par exemple, l'atome d'hydrogènepossède un seul électron, l'hélium en a deux et l'uranium 92.

Un atome peut contenir jusqu'à sept couches d'électrons, chacune d'elles pouvant accueillir un nombredéterminé d'électrons.

La septième couche n'est complète pour aucun des éléments existant à l'état naturel.

Globalement, plus le niveau d'énergie est élevé, plus lesélectrons concernés sont éloignés du noyau.

Les électrons du dernier niveau d'énergie (qui correspond à la dernière couche électronique non vide), ou couche de valence,sont responsables des propriétés chimiques de l'élément. La dernière couche électronique non vide des gaz rares (hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon) est complète.

C'est pourquoi ces gaz sont très peu réactifs : ils sontégalement appelés gaz inertes.

Cependant, les trois gaz rares les plus lourds (krypton, xénon et radon) participent à des réactions chimiques.

Par ailleurs, le dernier niveaud'énergie de certains éléments, tels que le lithium, le sodium et le potassium, contient seulement un électron.

Ces éléments se combinent donc facilement avec d'autreséléments en leur cédant leur électron périphérique.

Réciproquement, des éléments comme le fluor, le chlore et le brome, auxquels il ne manque qu'un électron pour saturerleur couche périphérique, se combinent tout aussi facilement avec d'autres éléments, dont ils captent les électrons.

Voir liaison chimique. Les électrons des 18 premiers éléments de la classification périodique viennent s'ajouter à la structure de l'atome de manière régulière, chaque couche devant être complèteavant que les électrons n'occupent la suivante.

À partir du 19 e élément, les électrons périphériques se placent dans une nouvelle couche sans que la précédente soit complète.

Une certaine régularité est toutefois conservée, les électrons remplissant les couches successives selon un schéma répétitif dont résulte une répétition régulièredes propriétés chimiques des éléments selon leur disposition dans la classification périodique. Il est commode de représenter les électrons se déplaçant autour du noyau d'un atome comme s'il s'agissait de planètes gravitant autour du Soleil.

Cette comparaison esttoutefois par trop simplificatrice au regard des connaissances actuelles en physique.

Les chercheurs savent maintenant qu'il est impossible de localiser avec précision unélectron dans l'espace atomique sans perturber sa position : toute mesure a une influence importante sur le comportement de l'électron.

C'est ainsi qu'ils attribuent àl'atome une forme de nuage, chaque position possible de l'électron par rapport au noyau étant assortie d'une probabilité de présence.

La représentation du « nuageélectronique » de l'atome a donc supplanté le modèle du Système solaire. 6 THÉORIE QUANTIQUE L'une des grandes réussites de la physique théorique fut l'interprétation des spectres de raies qui caractérisent chaque élément chimique ( voir spectroscopie).

Les atomes excités par un apport externe d'énergie émettent de la lumière à une fréquence déterminée.

Par exemple, si de l'hydrogène gazeux est maintenu à basse pression dans untube de verre et que l'on fait passer un courant électrique, une lumière rouge est émise.

Un examen minutieux de cette lumière par un spectroscope montre un spectre deraies, c'est-à-dire une série de raies de lumière plus ou moins espacées.

Chaque raie possède une longueur d'onde et une énergie bien définies. La théorie de Bohr permet au physicien de calculer ces longueurs d'onde de façon simple.

Il est admis que, dans l'atome, les électrons peuvent circuler autour du noyau demanière stable.

Tant qu'un électron gravite à une distance fixe du noyau, l'atome ne produit pas d'énergie.

Lorsque l'atome est excité, l'électron atteint une coucheélectronique plus éloignée du noyau et qui a un niveau d'énergie supérieur.

Lorsque l'électron retourne à un niveau d'énergie plus bas (c'est-à-dire sur une couche plusproche du noyau), il émet une certaine quantité d'énergie correspondant à une longueur d'onde lumineuse.

L'électron peut retourner à sa couche originelle en plusieursétapes, en passant par des couches qui ne sont pas complètement remplies.

Chaque raie observée représente une transition électronique, c'est-à-dire le passage d'unélectron d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau d'énergie inférieur.

Un grand nombre d'éléments lourds émettent des rayons X lorsque leurs atomes sont excités. 7 PHYSIQUE NUCLÉAIRE En 1919, Rutherford exposa l'azote gazeux à une source radioactive émettant des particules alpha.

Un certain nombre de particules alpha entrèrent en collision avec lesnoyaux des atomes d'azote.

Le résultat de ce bombardement fut la transformation des atomes d'azote en atomes d'oxygène.

Une particule chargée positivement était émisepar le noyau de chacun des atomes subissant la transmutation.

Ces particules furent assimilées à des noyaux d'atomes d'hydrogène ; ce sont des protons.

Des recherchesultérieures prouvèrent que les protons sont constitutifs des noyaux de tous les éléments chimiques. Aucune autre découverte sur la structure du noyau ne fut faite avant 1932, date à laquelle sir James Chadwick découvrit, dans le noyau, une autre particule, le neutron, quiest électriquement neutre et a presque la même masse que le proton.

Il apparut alors que les particules nucléaires constituant le noyau, ou nucléons, sont les protons et lesneutrons.

Dans un atome donné, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons et, par conséquent, au numéro atomique de l'atome.

Cette découverte permitd'expliquer le phénomène des isotopes, qui sont des atomes du même élément chimique (c'est-à-dire, contenant le même nombre de protons) mais qui ne possèdent pas lemême nombre de neutrons.

Dans le cas du chlore, l'isotope le plus léger est identifié par le symbole 35Cl et le plus lourd par 37Cl.

L'exposant indique le nombre de masse de l'isotope et est égal au nombre total des neutrons et des protons dans le noyau atomique.

Parfois, le numéro atomique est placé en indice : ·Cl. Les noyaux les moins stables sont ceux qui contiennent un nombre impair de neutrons et de protons ; les isotopes contenant des noyaux de cette sorte sont presque tousradioactifs.

Une surabondance importante de neutrons par rapport aux protons porte également atteinte à la stabilité d'un noyau ; les noyaux de tous les isotopes deséléments situés au-dessus du plomb dans la classification périodique présentent cette caractéristique et ils sont tous radioactifs.

La plupart des noyaux stables connuscontiennent un nombre pair de protons et un nombre pair de neutrons.. »