.ATOME GÉNÉRALITÉS DÉFINITION La matière se présente sous des formes très diverses. Quoi de plus dissemblable, à première vue, qu'un diamant, un lingot d'or et un clou en fer ? Cependant ces objets, si différents soient-ils en apparence, ont une caractéristique commune : ils sont tous constitués d'« atomes ». Tout objet, si petit qu'il paraisse, contient une quantité énorme d'atomes. Si l'on pouvait, par exemple, compter le nombre d'atomes de fer que contient un clou, on parviendrait à un nombre supérieur à cent mille milliards de milliards. Le fait que les atomes soient si petits que l'oeil humain ne puisse les voir, fût-ce à l'aide du plus puissant des microscopes, en a rendu difficile la description, au point qu'ils passaient autrefois pour indivisibles ou insécables. On pensait que n'importe quel matériau pouvait se diviser en parties de dimensions de plus en plus petites, mais que, une fois parvenue aux atomes, l'opération de subdivision devait s'arrêter. En effet, le mot d'atome, qui nous vient du grec ancien, signifie précisément « indivisible ». Les atomes pourtant ne sont pas indivisibles. S'il est vrai qu'ils représentent les éléments fondamentaux dont la matière est constituée, ils n'en sont pas moins composés à leur tour de particules plus petites encore : les protons, les neutrons et les électrons. Disons même que la grande différence entre un atome de carbone (l'élément constitutif du diamant), un atome d'or et un atome de fer tient précisément à la différence du nombre de protons, de neutrons et d'électrons que contient chacun d'entre eux. Les protons et les neutrons se trouvent dans la partie centrale de l'atome, son noyau. Les électrons, en revanche, libres de se mouvoir, « tournent » autour du noyau. La distance qui les sépare du noyau est si grande, comparée aux dimensions de ce dernier, que les atomes se révèlent être pratiquement vides. Si la taille du noyau était celle d'une pièce de monnaie, l'électron le plus proche en serait éloigné de plus d'un demi-kilomètre. NUMÉRO ATOMIQUE ET MASSE ATOMIQUE Les électrons et les protons sont porteurs d'une charge électrique. Celle-ci a la même valeur pour les deux types de particules, mais elle est de signe opposé (négative dans les premiers et positive dans les deuxièmes). Le noyau, en vertu de la présence de protons, se trouve chargé positivement, c'est pourquoi, il attire les électrons, chargés d'électricité négative. Puisque les électrons et les protons sont porteurs de la même quantité de charge, même si elle est de signe opposé, et puisque l'atome dans son ensemble est électriquement neutre, il doit y avoir dans chaque atome un nombre identique d'électrons et de protons. Normalement, l'atome est par conséquent électriquement neutre. Toutefois, des conditions physiques particulières (par exemple, celles qui existent à l'intérieur des étoiles) peuvent en altérer l'équilibre. Dans ce cas, le nombre d'électrons présents dans un 1 atome diffère du nombre Z de protons. L'atome n'est donc plus électriquement neutre. Il prend alors le nom d'ion. Les neutrons, comme leur nom l'indique, ont une charge nulle, et ils n'influent donc pas sur le comportement « électrique » de l'atome. Ils contribuent, par contre, et de façon importante, à en déterminer la masse. En effet, la masse d'un neutron, tout comme d'un proton, est presque égale à deux mille électrons. Cela signifie que toute la masse de l'atome est pratiquement concentrée dans le noyau, tandis que l'apport des électrons s'avère très réduit. Comme nous l'avons déjà souligné, c'est par le nombre de protons, de neutrons et d'électrons que les atomes se différencient, et c'est ce même nombre qui rend compte des propriétés chimiques et physiques différentes des atomes et des substances qu'ils contiennent. Le nombre de protons présents dans le noyau d'un atome est indiquée par le numéro atomique Z. Dans les atomes électriquement neutres, Z représente aussi le nombre d'électrons. Le numéro atomique est fondamental pour la classification des différents éléments chimiques. À son augmentation correspond le passage des atomes simples, comme l'hydrogène et l'hélium (dont le numéro atomique vaut respectivement Z = 1 et Z = 2), à des atomes complexes et rares, comme le lawrencium (dont le numéro atomique Z = 103). Pour connaître la masse d'un atome, il faut, outre le nombre de ses protons, connaître le nombre de ses neutrons. Ce dernier est indiqué généralement par la lettre N. La somme du nombre des neutrons N et du nombre des protons Z s'appelle nombre de masse A. Ce nombre indique la quantité de particules présentes dans le noyau ainsi que la masse de l'atome (rappelons que les électrons sont des particules de masse négligeable par rapport à celle des autres constituants de l'atome). Les atomes ayant le même numéro atomique Z et un nombre de masse A différent (c'est-à-dire les atomes ayant un nombre de neutrons différent) appartiennent au même élément, car ils présentent les mêmes propriétés chimiques, même s'ils diffèrent quant à la masse. Ils sont appelés isotopes. L'hydrogène, par exemple, dans sa forme la plus répandue, est constitué d'un proton et d'un électron. Il existe toutefois deux isotopes d'hydrogène : le deutérium, dont le noyau contient un proton et un neutron (N = 1, A = 2), et le tritium, dont le noyau est constitué d'un proton et de deux neutrons (N = 2, A = 3). LA DÉCOUVERTE L'idée que l'atome est le constituant fondamental de la matière a fait son apparition au XVIIIe siécle, quand certains chercheurs essayèrent d'interpréter le comportement d'un gaz, en le considérant comme constitué d'un grand nombre de particules invisibles. En outre, au début du XIXe siécle, on comprit les lois qui régissent les combinaisons des éléments chimiques. Ceux-ci, quand ils forment un composé, se présentent toujours dans des proportions bien définies. Par exemple, pour une quantité d'eau donnée, il faut deux parties d'hydrogène et une partie d'oxygène. Ce fait laisse à penser que même la quantité minima d'un composé, la molécule, est constituée d'atomes présents dans des proportions bien définies. La molécule d'eau, par exemple, résulte de la combinaison de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. À la fin du XIXe siécle, des expériences montrèrent qu'il était possible d'arracher à la matière des particules très légères et porteuses d'une charge négative : les électrons. Par conséquent, si la matière était constituée d'atomes électriquement neutres, comme on le supposait déjà à 2 l'époque, ceux-ci devaient contenir également une quantité de charge positive, à même de compenser la charge négative des électrons. LE MODÈLE DE THOMSON Le premier qui ait proposé un modèle d'atome expliquant les phénomènes observés fut le physicien anglais Joseph John Thomson (1856-1940), en 1904. Thomson supposa que l'atome était constitué d'une distribution homogène de charge positive, à l'intérieur de laquelle les électrons étaient disséminés, un peu à la façon des pépins d'une pastèque à l'intérieur de la chair. Le modèle de Thomson ne prévoyait pas l'existence de matière continue à l'intérieur des atomes, et il était par conséquent en mesure d'expliquer une observation expérimentale qui laissait fort perplexes les physiciens de l'époque : les atomes, bombardés au moyen de rayons cathodiques (électrons) se révélaient presque transparents. C'est pour cette raison que cette hypothèse eut à l'origine un grand succès. LE MODÈLE DE RUTHERFORD C'est précisément une expérience de bombardement au moyen de radiations, menée en 1909 par Hans Geiger et Ernest Marsden, qui fournit des résultats qui devaient amener à la disparition du modèle de Thomson et à l'idée du noyau atomique. L'expérimentation consistait à envoyer des particules alpha (deux protons et deux neutrons liés ensemble) contre une plaque d'or. Chaque particule alpha, en traversant le matériau, est sujette à des forces dues à la présence des atomes qui le composent. Elle est sujette à l'attraction des électrons et à la répulsion de la charge positive présente dans chaque atome (cela parce que la particule alpha a elle aussi une charge positive). Les conséquences de cette double action sont les déviations possibles que la trajectoire de la particule alpha peut subir. Le but de Geiger et Marsden était de mesurer les déviations, et de tirer de ces mesures des informations concernant les atomes appartenant au métal utilisé comme cible. Les résultats furent surprenants. Les particules alpha présentaient de grands angles de déviation, et une sur huit mille était même réfléchie par la plaque de métal. Ces observations ne pouvaient pas être expliquées au moyen du modèle de Thomson. Dans ce cas, en effet, les particules alpha auraient dû traverser la distribution homogène de charge positive, disséminée d'électrons, sans subir de déflexions si accentuées. La réflexion d'ailleurs, plus qu'improbable, devait être considérée comme impossible. Les grands angles de déflexion des particules alpha ne pouvaient être expliqués qu'au moyen d'un nouveau modèle d'atome. C'est ce que fit Ernest Rutherford (1871-1937), en 1911, qui supposa que les atomes étaient dotés d'un noyau central, dans lequel réside presque toute la masse. L'expérimentation de Geiger et Marsden pouvait alors être interprétée de la façon suivante. Les noyaux d'or, relativement lourds et chargés positivement, repoussent les particules alpha (elles aussi chargées positivement), provoquant les grandes déviations observées dans leurs trajectoires. L'atome proposé par Rutherford ressemble à un système solaire miniature. Les électrons gravitent sur des trajectoires circulaires, au centre desquelles se trouve le noyau. Au lieu de l'attraction gravitationnelle, qui lie les planètes au Soleil 3 (gravitation), agit l'attraction électrostatique, entre la charge négative des électrons et la charge positive du noyau. Bien qu'il eût introduit la notion révolutionnaire et correcte de noyau, le modèle de Rutherford était insatisfaisant à deux points de vue. En premier lieu, il n'expliquait pas les émissions et les absorptions d'ondes électromagnétiques par les atomes observées en spectroscopie. Mais, surtout, il ne rendait pas compte de la « stabilité » des atomes. Selon la théorie de l'électrodynamique, une charge électrique qui se meut selon un mouvement accéléré, émet une radiation électromagnétique (c'est ce qui se passe, par exemple, dans les antennes de télévision, dans lesquelles de grandes quantités d'électrons se meuvent rapidement d'une extrémité à l'autre pour donner lieu aux ondes qui parviennent jusqu'à nos habitations). Les électrons d'un atome &...
