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Atome

                           

L'atome est un concept permettant de décrire la matière (solide, liquide, gazeuse) et d'expliquer ses propriétés, comme par exemple le fait que les cristaux aient des facettes bien régulières, la compressibilité des gaz...

Sommaire
1 Histoire de l'atome
2 Modèles de l'atome

Histoire de l'atome

Notons que la notion d'atome est connue de beaucoup de gens, mais pourtant personne n'en a jamais vu. L'image que l'on en a provient des représentations que l'on nous a données en cours de sciences physique, dans les dictionnaires ou bien dans les articles de vulgarisation. Puisque personne n'a jamais vu ni touché d'atome, celui-ci n'est qu'un modèle : « on suppose qu'il existe un objet que l'on nomme "atome" et qui constitue la matière, ses caractéristiques sont les suivantes : ... Â». Ce modèle est accepté par toute la communauté scientifique et n'a jamais été mis en défaut, mais il a évolué au cours du temps. Nous présentons ici les grandes étapes qui ont amené au concept actuel d'atome.

Antiquité : un concept philosophique

Une idée ne germe jamais dans un seul esprit, il est donc probable que plusieurs peuples aient développé la notion de « grain composant la matière Â», tant ce concept semble évident lorsque l'on morcèle une motte de terre. Dans la culture européenne, ce concept est cité pour la première fois dans la Grèce antique au Vè siècle avant Jésus Christ, chez les philosophes pré-socratiques (notamment Leucippe, env. 470-360 av. J.-C.). C'est d'ailleurs du grec que vient le terme atome.

Mais il ne s'agit là  que d'une conception a priori du monde, on suppose que la matière ne peut se diviser indéfiniment. Ceci est à  mettre au même niveau que la décomposition du monde en quatre éléments (eau, air, terre, feu). Ce fut sans doute un tournant philisophique majeur, à  l'origine du matérialisme et de la critique de la religion, mais scientifiquement parlant, ce n'était qu'une intuition sans plus de valeur que les autres. Un chinois de la même époque, empreint du taoà¯sme de Laozi, aurait peut-être conclu qu'en divisant la matière, on arrivait au vide... ce qui n'est d'ailleurs pas très éloigné de la vision quantique.

La chimie du XVIIIè siècle - les éléments

Depuis des millénaires, on a remarqué que les produits se transforment : le feu, la métallurgie (transformation du minerai en métal), la corrosion (dégradation du métal), la vie, la cuisson des aliments, la décomposition de la matière organique... Par exemple, pour Démocrite, les transformations de la matière s'expliquaient de la manière suivante : il y avait quatre types d'atomes (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 Â». Au Moyen-à‚ge, les alchimistes ont étudié ces transformations et remarqué qu'elles suivent des règles bien précises. Vers 1760, des chimistes anglais commencent à  s'intéresser aux gaz produits par les réactions, afin d'en mesurer le volume et de les peser. Ainsi, Joseph Black, Henry Cavendish et Joseph Priestley découvrent différents «airs» (c'est-à -dire gaz) : l'«air fixe» (le gaz carbonique), l'«air inflammable» (le dihydrogène), l'«air phlogistiqué» (le diazote), l'«air déphlogistiqué» (le dioxygène)... (Le terme «phlogistique» provient de la théorie du chimiste allemand Georg Ernst Stahl, au début du XVIIIè siècle, pour expliquer la combustion ; cette théorie fut balayée par Lavoisier.)

Antoine Laurent de Lavoisier (chimiste français) énonce en 1773 que1

Rien ne se perd,
rien ne se crée,
tout se transforme
(formulé d'une manière légèrement différente à  l'époque) signifiant par là  que : Cette notion marque la véritable naissance de la chimie. Les chimistes ont donc commencé à  recenser les éléments dont sont composées toutes les substances et à  créer une nomenclature systématique - oxygène : qui génère des acides (οξυs signifie « acide Â» en grec) - hydrogène : qui génère de l'eau... Par exemple, en 1774, Lavoisier en suivant les travaux des chimistes anglais, et établit que l'air se compose en «air vital» (dioxygène) et en «air vicié et méphitique, mofette» (diazote) ; en 1785, 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 est décomposable en éléments (c'est en fait une pyrolyse). Le terme d'«analyse» provient d'ailleurs de cette notion de décomposition, lusis (λυσιs) signifie « dissolution Â» en grec : on décompose les produits (par attaque acide, en les brà»lant, en les distillant...) jusqu'à  obtenir des substances simples reconnaissables facilement (l'hydrogène, l'oxygène, le carbone, le fer...).

On a donc la première constatation expérimentale de la décomposition de la matière en substances élémentaires.

La physique du XVIIIe siècle - les particules

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

Les fluides (liquides et gaz) sont étudiés en Europe depuis l'Antiquité, mais c'est au milieu du XVIIe siècle que l'on commence vraiment à  cerner leur propriétés, avec l'invention du thermomètre (thermoscope de Santorre Santario, 1612), du baromètre et du vide pompé (Evangelista Torricelli, 1643), l'étude de l'expansion des gaz (Gilles Personne de Roberval, 1647), la pression atmosphérique (Blaise Pascal et Florin Perrier, 1648), les relations entre pression et volume (Robert Boyle en 1660, Edmé Mariotte en 1685), la notion de zéro absolu (Guillaume Amontons, 1702)... René Descartes (mathématicien, physicien et philosophe français) émet l'idée, en 1644, 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 Â» qui entraînait la rotation des planètes (ceci fut mis en défaut par Isaac Newton avec l'attraction universelle en 1687).

Cependant, cette notion de corpuscules inspira d'autres scientifiques. Les mathématiciens suisses Jakob Hermann (1716) et Leonhard Euler (1729), mais surtout le physicien suisse Daniel 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 du XVIIIe siècle : la cristallographie. Ce qui intrigue les scientifiques, c'est l'observation des formes géométrique des cristaux naturels, et leur capacité à  se cliver selon des plans lisses respectant ces symétries. Reprennant l'idée de classification des êtres vivants de Carl von Linné, on commence à  rechercher et classer les minéraux (Jean-Baptiste Romé de Lisle, minéralogiste français, 1772). L'abbé René-Just Haà¼y (cristallographe français), en 1781, suppose que la forme des cristaux reflète la symétrie d'une « brique élémentaire Â», le cristal étant un assemblage de ces briques. On retrouve ici cette notion de composant élémentaire de la matière.

XIXe siècle - le triomphe de l'atome

à€ ce stade, on a trois notions :

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 du XIXe siècle vont permettre de faire converger ces trois notions, et d'établir les notions de molécule et d'atome. John Dalton (chimiste et physicien anglais), en 1804, mesure les masses des réactants et 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 de pression partielle (dans un mélange de gaz, la contribution d'un gaz donné à  la pression totale).

En 1807, Louis Joseph Gay-Lussac (physicien et chimiste français), établit la loi reliant la température et la pression d'un gaz. En 1808, il établit que les gaz réagissent en proportions déterminées ; les rapports des volumes des réactants et produits de réaction sont des nombre entiers petits. Amedeo Avogadro (physicien italien), en 1811, détermine que pour une température et une pression fixées, un volume donné de gaz contient toujours le même nombre de molécules, et ce quelque soit le gaz. Il fait également l'hypothèse que les gaz sont polyatomiques ; André-Marie Ampère (1814), Jean-Baptiste André Dumas (1827) et William Prout (1834) arrivent à  la même conclusion. Avogadro définit nettement les molécules et atomes en 1860.

En 1821, John Herapath (mathématicien anglais) publie une théorie cinétique des gaz pour expliquer la propagation des sons, les changements de phase (vaporisation, condensation) et la diffusion des gaz. Robert Brown (botaniste britannique), en 1827, observe le mouvement de grains de pollen dans l'eau ; les grains vont en ligne droite, et ne changent de direction que lors d'un choc avec un autre grain ou bien contre une paroi. C'est de ce comportement, le «mouvement brownien», que s'inspireront les physiciens pour décrire le mouvement des molécules de gaz.

Gabriel Delafosse, en 1840, suppose que l'on peut dissocier la composante élémentaire du cristal et son organisation ; ainsi, la brique élémentaire de Haà¼y pourrait être un réseau aux nÅ“uds duquel se trouveraient des « molécules Â» ; ça serait la forme du réseau qui donnerait la fortme au cristal et non pas nécessairement la forme des molécules. Louis Pasteur (chimiste et biologiste français), en 1847, établit lui le lien entre la forme des molécules et la forme des cristaux (en fait, la molécule donne se forme au réseau, et le réseau sa forme au cristal). Auguste Bravais (physicien français), en 1849, détermine les 32 réseaux cristallins possibles. En 1858, Rudolf Julius Emanuel Clausius (physicien allemand) définit le libre parcours moyen d'une molécule dans un gaz (distance moyenne parcourue entre deux chocs). Partant de là , en 1859, James Clerk Maxwell (physicien écossais) introduit la notion de dispersion statistique des vitesses des molécules dans la cinétique des gaz. Ceci permis à  Ludwig Boltzmann (physicien autrichien), en 1858, d'estimer la taille des molécules et de définir la répartition statistique des vitesses dans un gaz.

Dmitri Ivanovitch Mendeleà¯ev (chimiste russe), en 1869, classe les atomes par masse croissante, et remarque qu'il y a une périodicité dans les propriétés. Il établit donc un tableau classant les éléments ; les trous dans ce tableau permirrent de découvrir de nouveaux éléments.

Bilan

La notion d'atome et de molécule a donc permis le succès de la thermodynamique statistique, de la chimie et de la cristallographie. Ce modèle fut par la suite conforté par les découvertes de la physique quantique durant le XXè siècle, et notamment :

Notes

  1. cette notion avait déjà  été énoncé dans l'Antiquité, par Anaxagore de Clazomène, mais là  encore, il s'agissait d'un principe a priori et non pas d'une constatation expérimentale
  2. 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 gaz carbonique et la vapeur d'eau s'en vont et allègent), il suffit pour s'en rendre compte de faire brà»ler dans une cloche fermée, et de peser la cloche en entier, produit solide et gaz compris : la masse totale ne change pas

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, on utilise plusieurs modèles différents ; en effet, le modèle le plus récent est assez complexe, l'utilisation de modèles « anciens Â» ou partiellement faux, mais plus simples, facilite la compréhension, donc l'apprentissage et la réflexion.

Historique des modèles de l'atome

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 Â». C'est avec l'expérience de Rutherford que l'on atteint enfin ce grain : les particules alpha, en traversant la matière, voient leur trajectoire perturbée, ce qui va permettre enfin de savoir comment est organisée cette « poussière Â»...

Modèles périmés

les modèles présentés ci-dessous sont trop éloignés de la réalité pour pouvoir être utilisés. Ils ne sont présentés qu'à  titre historique.

Le modèle du far aux pruneaux (plum-pudding)

Avec la découverte de l'électron en 1887, on savait que la matière était composée de deux parties : une négative, les électrons, et une positive. Dans le premier modèle imaginé, les electrons, particules localisées, baignaient dans une « soupe Â» positive, à  l'image des pruneaux dans le far breton (ou dans le plum-pudding pour les anglais). Ce modèle fut invalidé en 1911 par l'expérience de Rutherford

Vous pouvez aussi consulter la

Le modèle planétaire

L'expérience de Rutherford, en 1911, met en évidence que les charges positives ne sont pas « étalées Â» entre les électrons, mais sont concentrées en de petits points. Rutherford imagine donc un modèle planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif autour duquel tourne des élestrons négatifs.

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

Modèles inexacts mais couramment employés

Le modèle des sphéres dures

Le modèle le plus simple pour représenter un atome est une boule indéformable. Ce modèle est très utilisé en cristallographie. Une molécule peut se voir comme plusieurs boules accolées, un cristal comme des boules empilées. On utilise parfois une représentation « éclatée Â» : les atomes sont représentés comme des petites boules espacées, reliées par des traits. Ceci permet de faire ressortir les directions privilégiées ainsi que les angles.


modèle des sphéres dures pour représenter l'atome ; représentation d'une molécule d'eau et d'un cristal cubique à  faces centrées, compacte (gauche) et éclatée (à  droite)

Ce modèle correspond bien à  certaines propriétés de la matière, comme par exemple 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 font un angle donné ?

Le modèle de Bohr

Un modèle fut développé par Niels Bohr en 1913 à  partir des propriétés mises en évidence par Planck et Rutherford. Dans le modèle des sphères dures, l'atome est un objet entier, indécomposable. Or, on sait depuis le milieu du XIXè siècle que l'on peut « arracher Â» 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 orbites des électrons ne pouvant prendre que des valeurs définies.

Le noyau est très compact, d'un diamètre d'environs 10-15 à  10-14 m, c'est-à -dire que le noyau est cent mille à  un million de fois plus petit que l'atome ; il porte une charge électrique positive. C'est aussi la partie la plus lourde de l'atome, puisque le noyau représente au moins 99,95 % de la masse de l'atome. Les électrons sont ponctuels, c'est à  dire que leur taille est supposée quasiment nulle (tout du moins plus petite que ce que l'on peut estimer). Ils portent une charge négative. Pour des raisons de lisibilité, le dessin ci-dessous n'est pas à  l'échelle.


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

Cette vision permet de décrire très bien les phénomènes spectroscopiques, c'est-à -dire le fait que les atomes absorbent ou émettent seulement certaines longueur d'onde (ou couleur) de lumière ou de rayons X. En effet, les électrons ne pouvant tourner que sur des orbites définies, le saut d'une orbite à  une autre se fait en absorbant ou en émettant une quantité déterminée d'énergie (quantum). Par rapport au modèle des sphères dures, la surface de la sphère correspond à  l'orbite de l'électron le plus à  l'extérieur. Ce modèle est plus précis, puisqu'il décompose l'atome en deux parties, un noyau et un nuage d'électrons.

Cependant, il présente le gros inconvénient des modèles planétaires : si les électrons tournaient, ils devraient rayonner de l'énergie comme toute charge accélérée. Donc, les électrons perdraient de l'énergie et viendraient s'écraser sur le noyau. Ce modèle n'explique pas non plus la forme des molécules.

Modèle actuel le plus précis : modèle de Schrà¶dinger

Le modèle développé par Erwin Schrà¶dinger en 1926, puis par Paul Dirac en 1928, permet d'expliquer la stabilité de l'atome. Dans ce modèle, les électrons ne sont plus des billes localisées et tournantes, mais des nuages. Cela peut choquer en première approche, mais n'oubliez pas que personne n'a jamais vu d'atome, donc encore moins d'électron. Tout ce que l'on connaît des électrons, ce sont leurs manifestations : courant électrique, tube cathodique (télévision)... Si l'on s'imagine l'électron comme une petite bille, c'est parce que c'est l'image que certaines personnes ont donnée pour vulgariser la notion. Depuis les années 1930, on modélise l'électron par une «fonction d'onde» dont la «norme représente la densité de probabilité de présence». Pour représenter fidèlement les propriétés de l'électron, on n'a donc que des fonctions mathématiques à  notre disposition. Ceci est très abstrait, et rebute même de nombreux physiciens. Nous allons essayer de donner un image de cette notion de fonction d'onde, image nécessairement imparfaite.

Imaginons qu'hors de l'atome, l'électron soit une petite bille. Lorsque l'électron est capturé par l'atome, il se « dissout Â» et devient un nuage diffus, il s'« évapore Â». Quand on l'arrache de l'atome, il redevient une petite bille, il se « recondense Â». 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 dissout 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 Schrà¶dinger

Si l'on représente la densité de ces nuages en fonction de la distance r au noyau, on trouve une courbe dont le maximum correspond au rayon r0 de l'orbite dans le modèle de Bohr.


Densité radiale du nuage électronique - la densité est indiquée par des niveaux de gris, la courbe densité d en fonction de la distance r au noyau est tracée en superposition

Ces nuages peuvent prendre différentes formes, qui sont décrites par les harmoniques sphériques. La forme la plus simple est la symétrie sphérique, c'est celle qui est montrée ci-dessus. Les autres formes ont des directions privilégiées, ceci permet d'expliquer la forme des molécules.


Nuage électronique anisotrope

Ce modèle permet d'expliquer