Atome

Un atome est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La théorie atomiste, qui soutient l'idée d'une matière composée de «grains» indivisibles, est connue depuis l'Antiquité,...


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Atome - Histoire de la chimie - Histoire de la physique

Définitions :

  • La matière (eau, gaz, roche, êtres vivants) est constituée de molécules, qui sont des combinaisons d'atomes. Les atomes comprennent un noyau chargé positivement, autour duquel se déplacent des électrons chargés négativement. L'atome est neutre.... (source : astrosurf)

Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], «que on ne peut diviser») [1] est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La théorie 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 fut surtout défendue par Démocrite, philosophe de la Grèce antique. Elle fut disputée jusqu'à la fin du XIXe siècle, mais n'est plus au XXIe siècle l'objet de la moindre controverse. C'est surtout sur cette notion d'atome que reposent les sciences de la matière modernes. L'atome n'est cependant plus reconnu comme un grain de matière insécable, depuis les expériences de physique nucléaire ayant mis à jour sa structure au début du XXe siècle.

Un atome est constitué d'un noyau concentrant plus de 99, 9 % de sa masse, autour duquel se distribuent des électrons pour former un nuage 40 000 fois plus étendu que le noyau lui-même. Ce dernier est constitué de protons, chargés positivement, et de neutrons, électriquement neutres ; l'hydrogène fait exception, car le noyau de son isotope 1H, nommé protium, ne contient aucun neutron. Les électrons occupent des orbitales atomiques en interaction avec le noyau via la force électromagnétique, alors que les nucléons sont maintenus ensemble au sein du noyau par la liaison nucléaire, qui est une manifestation de l'interaction nucléaire forte. Le nuage électronique est stratifié en niveaux d'énergie quantifiés autour du noyau définissant des couches et des sous-couches électroniques ; les nucléons se répartissent aussi en couches nucléaires, quoiqu'un modèle approché assez commode popularise la structure nucléaire selon le modèle de la goutte liquide.

Plusieurs atomes peuvent établir des liaisons chimiques entre eux grâce à leurs électrons, et , en général, les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par leur configuration électronique, laquelle découle du nombre de protons de leur noyau. Ce nombre, nommé numéro atomique, définit un élément chimique.

Représentation d'un atome d'hélium 4 avec, apparaissant rosé au centre, le noyau atomique et , en dégradé de gris tout autour, le nuage électronique. Le noyau d'hélium 4, agrandi à droite, est constitué de deux protons et de deux neutrons.
Sections transversales des premières orbitales de l'atome d'hydrogène, le code de couleurs représentant l'amplitude de probabilité de l'électron.

Structure

Ordres de grandeur

Le diamètre estimé d'un atome «libre» (hors liaison covalente ou cristalline) est compris entre 62 pm (6, 2×10-11 m) pour l'hélium et 596 pm (5, 96×10-10 m) pour le césium[2], alors que celui d'un noyau atomique est compris entre 2, 4 fm (2, 4×10-15 m) pour l'isotope 1H et 14, 8 fm (1, 48×10-14 m) à peu près pour le nucléide 238U[3] : le noyau d'un atome d'hydrogène est par conséquent à peu près 40 000 fois plus petit que l'atome d'hydrogène lui-même.

Le noyau concentre cependant la majeure partie de la masse de l'atome[4] : le noyau du lithium 7, par exemple, est à peu près 4 300 fois plus massif que les trois électrons qui l'entourent, l'atome de 7Li lui-même ayant une masse de l'ordre de 1, 172×10−26 kg. Pour fixer les idées, la masse des atomes est comprise entre 1, 674×10-27 kg pour le protium et 3, 953×10-25 kg pour l'uranium 238, en s'en tenant aux isotopes qui ont une abondance significative dans le milieu naturel (il existe des noyaux plus lourds mais autant plus instables que le nucléide 238U).

Cette masse est le plus souvent exprimée en unités de masse atomique («uma», ou «u»), définie comme la douzième partie de la masse d'un atome de 12C non lié ainsi qu'à son état essentiel, soit 1 uma = 1, 66054×10-27 kg ; dans cette unité, la masse du nucléide 238U vaut 238, 0507826 uma. Une unité alternative aussi particulièrement employée en physique des particules est l'électron-volt divisé par le carré de la vitesse de la lumière (eV/c2), qui est homogène à une masse en vertu de la fameuse équation E = mc 2 de la relativité restreinte, et qui vaut 1 eV/c2 = 1, 783×10-36 kg ; dans cette unité, la masse du noyau 238U est égale à 221, 7 GeV/c2.

Compte tenu de leur taille et de leur masse singulièrement réduites, les atomes sont toujours en particulièrement grand nombre dès qu'on manipule une quantité de matière macroscopique. On définit ainsi la mole comme étant la quantité de matière constituée par tout autant d'unités élémentaires (atomes, molécules, électrons, etc. ) qu'il y a d'atomes dans 12 g de carbone 12, soit pas moins de 6, 022×1023 unités élémentaires, ce qu'on nomme le nombre d'Avogadro.

Particules subatomiques

Bien que son étymologie veut dire «insécable» en grec ancien, un atome est en réalité constitué de particules élémentaires plus petites, et peut par conséquent être divisé ; mais il forme bien la plus petite unité indivisible d'un élément chimique comme tel : en brisant, par exemple, un atome d'hélium, on obtiendra des électrons, des protons et des neutrons, mais on n'aura plus un corps simple ayant les propriétés de l'hélium.

  • Le proton p+ est 1 836 fois plus massif que l'électron (1, 6726×10−27 kg, soit 938, 27 MeV/c2) avec une charge électrique positive de même valeur absolue que celle de l'électron (1, 602×10−19 C).
  • Le neutron n0 est 1 838, 5 fois plus massif que l'électron (1, 6749×10−27 kg, soit 939, 57 MeV/c2), et est électriquement neutre.

Le modèle standard de la physique des particules décrit les nucléons comme des baryons composés de particules élémentaires nommées quarks :

Les électrons, quant à eux, sont des leptons, qui forment, avec les quarks, le groupe des fermions. La grande différence entre quarks et leptons est que seuls les premiers connaissent l'ensemble des interactions élémentaires, y compris l'interaction nucléaire forte, dont les médiateurs sont des bosons de jauge nommés gluons ; les leptons ne connaissent que l'interaction faible (via les bosons Z0 et W±) et l'interaction électromagnétique (via les photons).

Toutes ces particules connaissent a priori aussi l'interaction gravitationnelle, mais cette dernière n'a pas encore pu être intégrée au modèle 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'énergie V (x) requise pour occuper chaque abscisse x confine à l'intervalle [x1, x2] toute particule pourvue de l'énergie E en ordonnée.
Article détaillé : configuration électronique.

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 lui-même et , in fine, a conduit au développement de la physique des particules.

Le noyau atomique étant chargé positivement, il forme un puits de potentiel pour les électrons, qui sont chargés négativement. Ce puits de potentiel est constitué de niveaux d'énergie définis par des nombres quantiques dont la combinaison détermine des orbitales atomiques conférant aux fonctions d'onde correspondantes des dimensions et des formes caractéristiques.

Introduction au modèle de Schrödinger

L'électron manifeste, comme tout objet quantique, une dualité onde-corpuscule, en vertu de laquelle il se comporte tantôt comme une particule géométriquement délimitée occupant une position déterminée, tantôt comme une onde susceptible de présenter, par exemple, des phénomènes d'interférences. Ces deux aspects de l'électron cœxistent dans l'atome, quoique le modèle de Schrödinger soit exclusivement ondulatoire[5] :

Les cinq premières orbitales atomiques.

Donc, un électron ne peut pas «tomber sur le noyau» 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'aucune fonction propre de l'équation de Schrödinger : cette dernière impose, au contraire, qu'un électron, au voisinage du noyau, se «dilue» dans un volume (une orbitale) à la géométrie déterminée par les nombres quantiques qui satisfont cette équation. On peut par conséquent considérer qu'un électron dans un atome est déjà tombé sur le noyau, étant donné qu'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, quoique sa probabilité de s'y trouver soit faible (le noyau est de taille particulièrement réduite comparée à celle des orbitales atomiques). Les fonctions d'ondes envisageables pour les électrons d'un atome étant centrées sur le noyau, on peut par conséquent dire que l'électron est en fait tombé dans le noyau, quoiqu'il ne s'y trouve que particulièrement peu : du point de vue quantique, 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 ressemblance, que la fonction d'onde de 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[6].

Principe d'exclusion de Pauli

Article principal : principe d'exclusion de Pauli.

Chaque électron est décrit, dans un atome, par un quadruplet de nombres quantiques (n, l, m, s) satisfaisant l'équation de Schrödinger et nommés respectivement :

Le principe d'exclusion de Pauli stipule que deux fermions appartenant au même système de fermions (ici, au même atome) ne peuvent avoir tous leurs nombres quantiques égaux en même temps. Ce principe est essentiel car il est à l'origine de la configuration électronique des atomes : les électrons qui «s'empilent» dans l'atome doivent avoir chacun un état quantique différent des autres, ce qui explique que l'ensemble des 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'Aufbauédification» en allemand) matérialisé par la règle de Klechkowski, qui sous-tend l'agencement du tableau périodique des éléments chimiques en blocs et en périodes :


Sous-couche 1s   1 case quantique → 2 électrons   → 2 éléments sur la 1ère période  

Sous-couche 2s   1 case quantique → 2 électrons    
Sous-couche 2p   3 cases quantiques → 6 électrons   → 8 éléments sur la 2ème période  

Sous-couche 3s   1 case quantique → 2 électrons    
Sous-couche 3p   3 cases quantiques → 6 électrons   → 8 éléments sur la 3ème période  

Sous-couche 4s   1 case quantique → 2 électrons    
Sous-couche 3d   5 cases quantiques → 10 électrons    
Sous-couche 4p   3 cases quantiques → 6 électrons   → 18 éléments sur la 4ème période  

Sous-couche 5s   1 case quantique → 2 électrons    
Sous-couche 4d   5 cases quantiques → 10 électrons    
Sous-couche 5p   3 cases quantiques → 6 électrons   → 18 éléments sur la 5ème période  

Sous-couche 6s   1 case quantique → 2 électrons    
Sous-couche 4f   7 cases quantiques → 14 électrons    
Sous-couche 5d   5 cases quantiques → 10 électrons    
Sous-couche 6p   3 cases quantiques → 6 électrons   → 32 éléments sur la 6ème période  

Sous-couche 7s   1 case quantique → 2 électrons    
Sous-couche 5f   7 cases quantiques → 14 électrons    
Sous-couche 6d   5 cases quantiques → 10 électrons    
Sous-couche 7p   3 cases quantiques → 6 électrons   → 32 éléments sur la 7ème période  

Orbitales moléculaires

Sa structure électronique confère à l'atome ses propriétés chimiques et magnétiques. Ainsi, les éléments chimiques sont couramment classés dans un tableau périodique organisé selon 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 différent peut conduire à la formation d'une orbitale moléculaire constituant une liaison chimique entre deux atomes ; si les orbitales atomiques en recouvrement appartiennent au même atome, on dit qu'il y a hybridation.

Une orbitale moléculaire est dite liante quand les phases d'électron des orbitales atomiques sont de même signe (interférence constructive)  ; elle est dite antiliante quand les orbitales atomiques ont des phases de signe opposé (interférence destructive).

Noyau atomique

Article principal : noyau atomique.

Protons et neutrons forment un noyau atomique de dimension femtométrique. Le rayon nucléaire d'un atome dont le nombre de masse est A vaut à peu près \begin{smallmatrix}1,2\sqrt[3]{A}\end{smallmatrix}  fm, tandis que l'atome lui-même a un rayon de l'ordre de la centaine de picomètres (environ 35 000 à 40 000 fois plus grand). Les protons étant chargés positivement, ils se repoussent au sein du noyau, mais l'intensité de cette répulsion électrostatique est particulièrement inférieure à celle de l'attraction entre nucléons induite par l'interaction nucléaire forte à des distances inférieures à 2, 5 fm.

La géométrie des noyaux atomiques est le plus souvent sphérique, quoique certains noyaux stables suffisamment massifs adoptent aussi des formes sphéroïdes étirées en ballon de rugby ou, au contraire, aplaties. Certains noyaux instables, dits noyaux à halo, sont caractérisés par un ou plusieurs nucléons aux fonctions d'ondes particulièrement distendues, qui donnent au noyau des contours flous et un volume apparent particulièrement augmenté ; ces noyaux ont une cohésion nucléaire à la limite extrême du champ d'action de l'interaction forte.

Dans le modèle de la goutte liquide, les protons tendent à se repousser les uns les autres et , donc, à se concentrer vers l'extérieur des noyaux (aux «pôles» ou à l'«équateur» dans le cas de sphéroïdes), alors 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 la totalité des observations[7].

Le volume nucléaire, estimé expérimentalement par des techniques de diffraction de faisceaux d'électrons, correspond environ à l'empilement de sphères dures représentant les nucléons, avec une densité nucléaire constante, ce qui se conceptualise tout à fait avec le modèle de la goutte liquide. Néanmoins, certaines propriétés quantiques de la structure nucléaire semblent mieux décrites par le modèle en couches, élaboré par les physiciens allemands Maria Gœppert-Mayer et Hans Daniel Jensen, qui ont obtenu le prix Nobel de physique en 1963 pour cette avancée. Leur modèle considère les nucléons comme des fermions soumis au principe d'exclusion de Pauli et répartis sur des niveaux d'énergie quantifiés — les «couches nucléaires» — de façon identique aux électrons à l'échelle de l'atome. Dans le noyau, protons et neutrons forment deux populations de fermions différentes vis-à-vis du principe d'exclusion de Pauli.

L'ressemblance avec les électrons a cependant ses limites, car, si les électrons interagissent entre eux et avec le noyau via l'interaction électromagnétique, les nucléons interagissent entre eux principalement via l'interaction nucléaire forte et 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. Qui plus est , les phénomènes de couplage spin-orbite sont énormément plus sensibles pour les nucléons que pour les électrons, ce qui redistribue les sous-couches nucléaires selon le spin (indiqué en indice dans le tableau ci-dessous) [8] :


Sous-couche 1s 1/2   2 états   1re couche : nombre magique = 2  

Sous-couche 1p 3/2 4 états  
Sous-couche 1p 1/2 2 états 2e couche : nombre magique = 8

Sous-couche 1d 5/2 6 états  
Sous-couche 2s 1/2 2 états  
Sous-couche 1d 3/2 4 états 3e couche : nombre magique = 20

Sous-couche 1f 7/2 8 états 4e couche : nombre magique = 28

Sous-couche 1p 3/2 4 états  
Sous-couche 1f 5/2 6 états  
Sous-couche 2p 1/2 2 états  
Sous-couche 1g 9/2 10 états 5e couche : nombre magique = 50

Sous-couche 1g 7/2 8 états  
Sous-couche 2d 5/2 6 états  
Sous-couche 2d 3/2 4 états  
Sous-couche 3s 1/2 2 états  
Sous-couche 1h 11/2 12 états 6e couche : nombre magique = 82

Sous-couche 1h 9/2 10 états  
Sous-couche 2f 7/2 8 états  
Sous-couche 2f 5/2 6 états  
Sous-couche 3p 3/2 4 états  
Sous-couche 3p 1/2 2 états  
Sous-couche 1i 13/2 14 états 7e couche : nombre magique = 126

Sous-couche 2g 9/2 10 états  
Sous-couche 3d 5/2 6 états  
Sous-couche 1i 11/2 12 états  
Sous-couche 2g 7/2 8 états  
Sous-couche 4s 1/2 2 états  
Sous-couche 3d 3/2 4 états  
Sous-couche 1j 15/2 16 états 8e couche : nombre magique = 184

La saturation d'une couche nucléaire confère au noyau atomique une stabilité supérieure à celle calculée par la formule de Weizsäcker, issue du modèle de la goutte liquide — ce qui n'est pas sans rappeler l'inertie chimique des gaz rares, caractérisés par la saturation de leur sous-couche électronique p périphérique. Le nombre de nucléons d'une population donnée correspondant à la saturation d'une couche nucléaire est nommé «nombre magique» ; le noyau du plomb 208, qui est le plus lourd des isotopes stables, est ainsi constitué de 82 protons et 126 neutrons : 82 et 126 sont deux nombres magiques, ce qui explique la stabilité de ce nucléide comparé à ceux qui n'en changent 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 Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
   
  * 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 périodique des éléments chimiques  

Les atomes font le lien entre physique et chimie, de sorte que les notions relatives à ces deux domaines des sciences se recouvrent à leur sujet. Ainsi, en physique nucléaire, on nomme nucléide un noyau atomique défini par un nombre déterminé de protons et de neutrons, terme fréquemment confondu avec la notion équivalente d'isotope, qui relève davantage de la chimie.

Un élément chimique se définit comme la totalité des atomes dont le noyau comporte un nombre donné de protons. Ainsi, l'ensemble des atomes n'ayant qu'un seul proton dans leur noyau sont des atomes d'hydrogène : le protium 1H (seul nucléide stable sans aucun neutron), le deutérium 2H (stable, avec aussi un neutron), le tritium 3H (radioactif, avec deux neutrons), etc. Ces nucléides sont des isotopes de l'hydrogène, car leur noyau compte le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

La classification des atomes suit par conséquent celle des éléments chimiques, dont les propriétés chimiques — mais également physiques — présentent une périodicité découverte au XIXe siècle ainsi qu'à l'origine du tableau périodique des éléments. On emploie indifféremment les termes isotope stable et nucléide stable, radioisotope et radionucléide, ou encore élément superlourd et atome superlourd.

Propriétés

Noyaux atomiques

Moment magnétique nucléaire

Précession de Larmor d'un proton soumis à un champ magnétique B0.

Les particules élémentaires possèdent un nombre quantique nommé spin analogue à un moment angulaire et mesuré en unités de constante de Planck réduite (quelquefois nommée «constante de Dirac») désignée par le symbole ħ, qui se lit «h barre». C'est aussi le cas des protons et des neutrons du noyau atomique, dont la résultante des spins se manifeste par un moment magnétique nucléaire. La valeur de ce dernier est spécifique à chaque noyau ; à l'état essentiel, elle est nulle pour les nucléides ayant à la fois un nombre pair de protons et un nombre pair de neutrons.

Cette propriété est mise à profit en imagerie par résonance magnétique (IRM), fondée sur la résonance magnétique nucléaire (RMN)  : un matériau soumis d'une part à un rayonnement électromagnétique, et d'autre part à un champ magnétique intense (de l'ordre du tesla) 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 le rapport gyromagnétique du noyau ciblé, ce qui sert à déterminer par spectroscopie la concentration spatiale de ce noyau — typiquement dans le domaine des radiofréquences pour les champs magnétiques ne dépassant pas 20 T.

Énergie de liaison nucléaire

Article principal : énergie de liaison nucléaire.
Énergie de liaison nucléaire par nucléon selon le nombre de masse des isotopes principaux. Les pics correspondent à des noyaux constitués seulement de particules alpha

La liaison nucléaire est le plus souvent décrite comme une manifestation résiduelle entre nucléons de l'interaction nucléaire forte qui maintient ensemble les quarks constituant les nucléons. L'énergie de liaison nucléaire est définie comme l'énergie indispensable pour arracher un nucléon quelconque au noyau reconnu. Elle est de l'ordre de quelques mégaélectron-volts par nucléon, partant de 0 (par définition) pour le protium 1H pour atteindre 7, 57 MeV/A avec l'uranium 238 en passant par un maximum à 8, 795 MeV/A pour le nickel 62[9]. Cette propriété principale explique pourquoi ce sont seulement les atomes légers qui libèrent de l'énergie par fusion nucléaire alors que ce sont seulement les atomes lourds qui libèrent de l'énergie par fission nucléaire :

Stabilité nucléaire

La physique des noyaux atomiques est gouvernée par les trois interactions principales du modèle standard de la physique des particules : l'interaction forte, l'interaction faible et l'l'interaction électromagnétique. Chaque noyau atomique est défini par le nombre de protons et de neutrons qu'il contient, mais aussi par son énergie totale, la totalité définissant les différents «arrangements» des particules selon lesquels l'énergie totale du dispositif peut être distribuée. Plus il y a d'arrangements envisageables et plus le dispositif est stable : l'état présentant le plus grand nombre d'arrangements envisageables est nommé état essentiel ; c'est celui vers lequel tendent l'ensemble des autres états de ce dispositif.

Toute transition d'un état du dispositif vers un autre requiert une énergie d'activation, apportée, dans le cas des noyaux atomiques, par les fluctuations du vide quantique. Quand 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 un radionucléide. Jusqu'au calcium (Z = 20), les éléments chimiques ont des isotopes stables pour lesquels le nombre N de neutrons est environ égal au nombre Z de protons, tandis qu'au-delà de Z = 20 le ratio N/Z tend vers 3/2. Les isotopes instables, nommé radioisotopes, connaissent une désintégration radioactive qui leur sert à se rapprocher d'un état de plus grande stabilité.

Radioactivité

Article principal : radioactivité.
Article connexe : radioisotope.
La vallée de stabilité des nucléides diverge de la diagonale N = Z dès Z = 20.

La radioactivité sert à désigner la totalité des phénomènes physiques par lesquels un nucléide instable réorganise sa structure nucléaire pour gagner en stabilité. Ces phénomènes de désintégration radioactive peuvent être les suivants :

  • Fission spontanée : un gros noyau atomique «explose» en au moins deux fragments plus petits, avec émission de neutrons. Ce type de désintégration est observé surtout quand le ratio Z2/A est au moins égal à 45 (c'est par exemple le cas du 252Cf).

Chaque radioisotope est caractérisé par une période radioactive, qui correspond au temps indispensable pour que la moitié des atomes de cet isotope se soit désintégrée. Un même nucléide peut connaître plusieurs modes de désintégration, la proportion relative de chacun de ces modes étant nommée rapport de branchement.

Îlot de stabilité

Localisation théorique de l'îlot de stabilité.
Article principal : îlot de stabilité.
Article connexe : superactinide.

Certaines théories extrapolent les résultats du modèle en couches et les propriétés des nombres magiques en prédisant l'existence d'un îlot de stabilité parmi les nucléides superlourds, pour un nombre magique de 184 neutrons et — selon les théories et les modèles — 114, 120, 122 ou 126 protons. Une approche plus moderne de la stabilité nucléaire montre cependant, par des calculs fondés sur l'effet tunnel, que, si de tels noyaux superlourds doublement magiques seraient certainement stables du point de vue de la fission spontanée, ils devraient cependant connaître des désintégrations α avec une période radioactive de quelques microsecondes[10], [11]. , [12] Un îlot de relative stabilité pourrait néanmoins exister autour du darmstadtium 293, correspondant aux nucléides définis par Z compris entre 104 et 116, et N compris entre 176 et 186 : ces éléments pourraient avoir des isotopes présentant des périodes radioactives atteignant quelques minutes.

Limite à la taille des noyaux

Article détaillé : éléments de la période 8.

Le plus lourd des nucléides synthétisés jusqu'désormais est l'isotope 294118[13], [14], [15], [16], [17] et les recherches se poursuivent au GSI pour produire l'isotope 302120. On ignore exactement jusqu'à combien de nucléons un noyau atomique peut contenir : on estime généralement la limite d'observabilité expérimentale à à peu près Z ≈ 130[18] et la limite théorique à Z = 173 : un 174ème proton (ou neutron) conférerait à la couche nucléaire 1s1/2 une énergie de – 511 keV, égale à la masse au repos d'un électron ou d'un positron ; un tel noyau serait par conséquent instable comparé à la désintégration β[19], [20].

Nuage électronique

Si les propriétés nucléaires de l'atome (masse, énergie nucléaire, radioactivité... ) relèvent de la physique, et spécifiquement de la physique nucléaire et de la physique des particules, les propriétés des nuages électroniques des atomes (taille, énergie d'ionisation, conductivité électrique, valence... ) relèvent principalement de la chimie et de la science 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 atomiques de nature probabiliste. Il n'existe par conséquent pas de définition unique ni de mesure définitive de la taille des atomes : celle-ci est le plus souvent définie en termes de distance moyenne entre noyaux d'atomes liés entre eux, mais cette distance fluctue selon 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... ). Une valeur théorique de l'extension des orbitales atomiques peut néanmoins être calculée pour chaque noyau atomique, ce qui donne une valeur en excès comparé aux méthodes empiriques fondées sur la géométrie des mailles cristallines, ou aux mesures effectuées sur des molécules :


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
n. d.
Rn
120
Fr
n. d.
Ra
n. d.
 *  Lw
n. d.
Rf
n. d.
Db
n. d.
Sg
n. d.
Bh
n. d.
Hs
n. d.
Mt
n. d.
Ds
n. d.
Rg
n. d.
Cn
n. d.
Uut
n. d.
Uuq
n. d.
Uup
n. d.
Uuh
n. d.
Uus
n. d.
Uuo
n. d.
   
  * La
n. d.
Ce
n. d.
Pr
n. d.
Nd
n. d.
Pm
n. d.
Sm
n. d.
Eu
n. d.
Gd
n. d.
Tb
n. d.
Dy
n. d.
Ho
n. d.
Er
n. d.
Tm
n. d.
Yb
n. d.
 
  * Ac
n. d.
Th
n. d.
Pa
n. d.
U
n. d.
Np
n. d.
Pu
n. d.
Am
n. d.
Cm
n. d.
Bk
n. d.
Cf
n. d.
Es
n. d.
Fm
n. d.
Md
n. d.
Nb
n. d.
 
 
  Tableau périodique des éléments indiquant leur rayon atomique théorique[21] en picomètres  


Au-delà des valeurs numériques, qui ne doivent être vues ici que comme indicatives, ce tableau permet d'illustrer deux tendances :

La contraction des lanthanides illustre bien ce dernier phénomène, et est à l'origine du fait que les atomes des métaux de transition des cinquième et sixième périodes ont des tailles environ identiques : à peine deux picomètres de plus pour le hafnium et le tantale que pour le zirconium et le niobium ; il s'ensuit une augmentation sensible de la masse volumique des métaux correspondants, par exemple 6, 5 et 13, 3 g/cm3 respectivement pour le zirconium et le hafnium — soit plus qu'un doublement.

Liaisons chimiques

Modèle de molécule de théobromine, un alcaloïde important du chocolat. Les couleurs des atomes sont conventionnelles :
  - noir ou anthracite pour le carbone
  - bleu pour l'azote
  - rouge pour l'oxygène
  - blanc ou gris clair pour l'hydrogène.
Articles principaux : liaison chimique et valence (chimie) .

L'une des propriétés les plus remarquables des atomes est leur propension à former toute une variété de liaisons chimiques avec d'autres atomes, pour former des édifices moléculaires, des cristaux, ou alors des agrégats atomiques (clusters, «superatomes»). Ces liaisons résultent du recouvrement d'orbitales atomiques appartenant à deux atomes pour former une orbitale moléculaire occupée par deux électrons provenant chacun d'un des deux atomes engagés dans la liaison (on parle dans ce cas de liaison covalente), mais peuvent aussi provenir de l'attraction électrostatique entre atomes de charge électrique opposée (un cation positif et un anion négatif : on parle alors de liaison ionique).

La réactivité chimique des atomes dépend du nombre d'électrons qu'ils possèdent dans leurs sous-couches électroniques périphériques (sous-couches s et p) — les électrons de valence. En vertu de la règle de l'octet, chaque atome tend en effet à atteindre un état où ses sous-couches s et p périphériques sont saturées d'électrons : deux électrons dans la sous-couche s et six électrons dans la sous-couche p. A titre d'exemple, l'hydrogène n'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 est monovalent. L'oxygène, lui, a quatre électrons dans sa sous-couche 2p, et s'associe par conséquent avec deux autres atomes pour acquérir les deux électrons qui manquent à cette sous-couche pour être saturée : l'oxygène est par conséquent divalent. Le carbone, ayant deux électrons dans sa sous-couche 2p, est tétravalent. Les gaz rares les plus légers tels que l'hélium et le néon, avec respectivement deux électrons dans la sous-couche 1s et six électrons dans la sous-couche 2p, sont environ inertes chimiquement car leur configuration électronique est déjà saturée d'électrons de valence — mais il existe une chimie des gaz rares concernant les gaz rares plus lourds, qui présentent une réactivité chimique non nulle à cause de l'écrantage du noyau par les électrons de cœur qui rend les électrons périphériques plus mobilisables.

La liaison covalente est une liaison forte : celle qui unit les deux atomes d'iode de la molécule I2 n'est que de 151 kJ/mol, mais atteint 436 kJ/mol pour la molécule H2, 498 kJ/mol pour O2, et 945 kJ/mol pour N2.

Nature métallique, semiconductrice et isolante d'un matériau selon la théorie des bandes.

Un autre type de liaison chimique s'observe dans les métaux : la liaison métallique. Les atomes métalliques ont en effet la propriété, quand 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 ; la conductivité électrique des métaux résulte du fait qu'il existe un nombre énormément plus élevé de configurations électroniques envisageables (on parle de densité d'états électroniques) qu'il y a d'électrons dans cette bande de conduction, de sorte que ces derniers y forment un «gaz d'électrons».

Des atomes appartenant à des molécules différentes peuvent aussi interagir avec leur nuage électronique autrement que par liaison covalente ou ionique. Ainsi, un atome d'halogène déficitaire en électrons et aisément polarisable peut former une liaison halogène avec les atomes ou groupements fonctionnels riches en électrons, tels que des dérivés oxygénés ou azotés. De même, une molécule ayant un atome d'hydrogène acide peut former une liaison faible (de 5 à 20 kJ/mol) avec un atome électronégatif ayant des doublets non liants. Enfin, l'interaction des moments dipôlaires de deux atomes est à l'origine de la force de van der Waals, dont la force est du même ordre de grandeur que celle de la liaison hydrogène.

Électronégativité et affinité électronique

Articles principaux : électronégativité et affinité électronique.

Compte tenu de leur configuration électronique, certains atomes auront davantage tendance que d'autres à attirer des électrons en formant des liaisons chimiques covalentes. Cette propriété est nommée l'électronégativité d'un atome. Elle dépend en premier lieu de leur nombre de masse et , corrélativement, de l'intensité de la liaison entre le noyau atomique et des électrons de valence. Elle est le plus souvent évaluée avec l'échelle de Pauling, du nom de Linus Pauling qui la mit au point en 1932[22]. D'autres méthodes d'évaluation donnent des résultats un peu différents, mais toutes révèlent les mêmes tendances à travers le tableau périodique.


H
2, 20
  He
n. d.
Li
0, 98
Be
1, 57
  B
2, 04
C
2, 55
N
3, 04
O
3, 44
F
3, 98
Ne
n. d.
Na
0, 93
Mg
1, 31
  Al
1, 61
Si
1, 90
P
2, 19
S
2, 58
Cl
3, 16
Ar
n. d.
K
0, 82
Ca
1, 00
  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, 90
Zn
1, 65
Ga
1, 81
Ge
2, 01
As
2, 18
Se
2, 55
Br
2, 96
Kr
3, 0
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, 20
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, 20
Pt
2, 28
Au
2, 54
Hg
2, 0
Tl
1, 62
Pb
2, 33
Bi
2, 02
Po
2, 0
At
2, 2
Rn
2, 2
Fr
0, 7
Ra
0, 9
 *  Lw
1, 3
Rf
n. d.
Db
n. d.
Sg
n. d.
Bh
n. d.
Hs
n. d.
Mt
n. d.
Ds
n. d.
Rg
n. d.
Cn
n. d.
Uut
n. d.
Uuq
n. d.
Uup
n. d.
Uuh
n. d.
Uus
n. d.
Uuo
n. d.
   
  * 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
Nb
1, 3
 
 
  Tableau périodique des éléments indiquant leur électronégativité selon l'échelle de Pauling  


La lecture de ce tableau sert à dégager deux tendances principales :

Le cas des gaz rares eux-mêmes est spécifique car les plus légers d'entre eux sont chimiquement inertes, une véritable chimie des gaz rares n'existant que pour le krypton et , en particulier, le xénon — le radon est trop radioactif pour 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 atomique stricto sensu correspondant à l'électronégativité est nommée affinité électronique et correspond à l'énergie libérée par l'adjonction d'un électron à un atome neutre pour former un anion. Il s'agit par conséquent d'une grandeur physique mesurable, au contraire de l'électronégativité.


H
73
  He
*
Li
60
Be
*
  B
27
C
122
N
*
O
141
F
328
Ne
*
Na
53
Mg
*
  Al
42
Si
134
P
72
S
200
Cl
349
Ar
*
K
48
Ca
2
  Sc
18
Ti
8
V
51
Cr
65
Mn
*
Fe
15
Co
64
Ni
112
Cu
119
Zn
*
Ga
41
Ge
119
As
79
Se
195
Br
324
Kr
*
Rb
47
Sr
5
  Y
30
Zr
41
Nb
86
Mo
72
Tc
*
Ru
101
Rh
110
Pd
56
Ag
126
Cd
*
In
39
Sn
107
Sb
101
Te
190
I
295
Xe
*
Cs
46
Ba
14
 *  Lu
33
Hf
n. d.
Ta
31
W
79
Re
*
Os
104
Ir
150
Pt
205
Au
223
Hg
*
Tl
36
Pb
35
Bi
91
Po
n. d.
At
n. d.
Rn
*
Fr
n. d.
Ra
n. d.
 *  Lw
n. d.
Rf
n. d.
Db
n. d.
Sg
n. d.
Bh
n. d.
Hs
n. d.
Mt
n. d.
Ds
n. d.
Rg
n. d.
Cn
n. d.
Uut
n. d.
Uuq
n. d.
Uup
n. d.
Uuh
n. d.
Uus
n. d.
Uuo
n. d.
   
  * La
45
Ce
92
Pr
n. d.
Nd
n. d.
Pm
n. d.
Sm
n. d.
Eu
n. d.
Gd
n. d.
Tb
n. d.
Dy
n. d.
Ho
n. d.
Er
n. d.
Tm
99
Yb
n. d.
 
  * Ac
n. d.
Th
n. d.
Pa
n. d.
U
n. d.
Np
n. d.
Pu
n. d.
Am
n. d.
Cm
n. d.
Bk
n. d.
Cf
n. d.
Es
n. d.
Fm
n. d.
Md
n. d.
Nb
n. d.
 
 
  Tableau périodique des éléments indiquant leur affinité électronique en kJ/mol.  


Les valeurs représentées par un astérisque dans le tableau ci-dessus sont voisines de zéro selon l'interprétation quantique de la configuration électronique des 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 les halogènes et sensiblement plus faible pour les métaux alcalins et , en particulier, alcalino-terreux.

Magnétisme

Orientation des moments magnétiques des atomes dans un matériau ferromagnétique.
Lévitation par effet Meissner d'un aimant au-dessus d'un matériau supraconducteur refroidi à l'azote liquide.
Articles principaux : spin, champ magnétique et magnétisme.

Comme les nucléons, les électrons possèdent un spin, analogue à un moment angulaire, intrinsèque à chaque électron, auquel se superpose un moment angulaire orbital, représenté par le nombre 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 former un champ magnétique autour de l'atome. Quand deux électrons occupent une case quantique de l'atome, ils ont chacun un spin opposé en vertu du principe d'exclusion de Pauli, ce qui annule le moment angulaire résultant ; mais les atomes et les ions qui ont un nombre impair d'électrons ont donc un moment magnétique résultant non nul provenant du spin de leurs électrons.

Les matériaux ferromagnétiques ont la particularité d'orienter dans la même direction les moments magnétiques de leurs atomes par interaction d'échange, ce qui génère un champ magnétique macroscopique : c'est le cas, par exemple, de la magnétite Fe3O4. Certains matériaux orientent au contraire les moments magnétiques de leur atomes dans des directions alternativement opposées, ce qu'on nomme «antiferromagnétisme».

Les matériaux paramagnétiques révèlent leur magnétisme intrinsèque seulement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, qui aligne le moment magnétique de leurs atomes tant qu'il est présent (susceptibilité magnétique positive)  ; 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 leurs sous-couches d et f ont des propriétés magnétiques intenses car ces électrons sont fortement situés ; surtout, les lanthanides font des aimants spécifiquement puissants à cause de leur moment magnétique induit par jusqu'à sept électrons non appariés — surtout le néodyme et le samarium. Il existe une méthode d'analyse spectroscopique sous champ magnétique analogue à la résonance magnétique nucléaire (RMN) qui fait intervenir le spin des électrons au lieu de celui des noyaux : la résonance paramagnétique électronique (aussi nommée de façon plus propre «résonance de spin électronique»).

Le diamagnétisme, 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 la naissance d'un champ magnétique de direction opposée à tout champ magnétique extérieur ; c'est un phénomène le plus souvent de faible intensité, outre quelques cas spécifiques tels que, par exemple, l'or, le mercure, le bismuth et en particulier les matériaux supraconducteurs (effet Meissner).

Fluorescence et phosphorescence

Articles principaux : fluorescence et phosphorescence.

Un électron d'un atome peut être excité par absorption d'un photon incident, ce qui le fait occuper une orbitale atomique d'énergie supérieure à celle de son état essentiel. De nombreuses molécules aromatiques ou présentant des liaisons π conjuguées sont susceptibles d'être ainsi excitées simplement par éclairage ; leur relaxation vers l'état essentiel se traduit alors par l'émission d'un ou plusieurs photons, selon deux mécanismes différents :

Un exemple de phosphorescence : poudre de silicate-aluminate de strontium dopé à l'europium vu en lumière visible, dans le proche ultraviolet, et dans l'obscurité totale.

Raies spectrales

Spectre continu
Raies d'émission
Raies d'absorption
Article principal : raie spectrale.

L'interaction d'atomes avec un rayonnement électromagnétique peut aussi se traduire par la naissance de raies d'absorption ou d'émission à certaines longueurs d'onde spécifiques sur un spectre d'autre part continu. Ces longueurs d'onde correspondent à l'énergie de transition entre couches électroniques et sous-couches électroniques : quand 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, chaque ion, et même chaque molécule ou radical libre, possède ainsi une signature spectrale caractéristique, particulièrement employée par exemple en astrophysique pour détecter leur présence et déterminer leur concentration dans le milieu interstellaire, ou alors 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 nomme leur structure 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 de spectroscopie.

Exemple de spectre d'absorption.

États de la matière

Lampe à plasma, objet de décoration particulièrement en vogue dans les années 1980. La lumière est émise lors de la recombinaison des électrons avec les cations du plasma, soulignant le phénomène de filamentation du courant dans le globe.
Articles principaux : état de la matière et phase (matière) .

La matière baryonique peut exister à l'état solide, liquide ou gazeux selon 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 forment chaque matériau. Les états solide et liquide sont qualifiés d'états condensés, alors que les états liquide et gazeux sont qualifiés d'états fluides. Les cristaux liquides (une mésophase) sont un état intermédiaire entre solide et liquide.

Il existe d'autre part des états de la matière moins courants sur Terre et qui dérivent des précédents :

Formation et évolution des atomes

Articles connexes : Voie Lactée et matière noire.

Les atomes forment à peu près 4 % de l'énergie totale observable de l'univers, avec une concentration moyenne d'un atome pour quatre mètres cubes[26]. Dans le milieu interstellaire d'une galaxie telle que la Voie Lactée, la concentration d'atomes fluctue selon les régions entre cent mille et un milliard d'atomes par mètre cube, quoique l'environnement immédiat du Soleil soit énormément plus ténu : à peine cinquante mille atomes par mètre cube, ce qui définit exactement la bulle locale comme une cavité dans le milieu interstellaire constituée par l'explosion de supernovæ voisines il y a deux à quatre millions d'années[27]. Les étoiles se forment à partir de nuages denses, et les réactions de fusion nucléaire qui se déroulent en leur sein amènent à la formation d'éléments chimiques plus lourds que l'hydrogène, l'hélium et le lithium (voire, peut-être, le béryllium) produits à la suite du big bang.

Plus de 95 % des atomes de la Voie Lactée se trouvent dans les étoiles, et les atomes «visibles» de notre galaxie représentent à peu près 10 % de sa masse : le reste de cette masse serait constitué d'une mystérieuse matière noire.

Nucléosynthèse

Articles détaillés : processus R, processus S, processus RP et processus P.

Dans les premières minutes de l'existence de l'univers, les quatre éléments les plus légers se sont constitués au cours de la nucléosynthèse essentielle : à peu près 75 % d'hydrogène 1H, 25 % d'hélium 4He, 0, 01 % de deutérium 2H, et des traces (de l'ordre de 10-10) de lithium 7Li, ou alors peut-être aussi de béryllium. Cette nucléosynthèse aurait été trop brève pour permettre la synthèse d'éléments plus lourds que le béryllium et pour permettre la fusion du deutérium. Les atomes eux-mêmes, avec leur nuage électronique, se seraient constitués lors de la recombinaison, à peu près 377 000 ans après le Big Bang, et les premiers quasars et étoiles se seraient constitués après 150 millions d'années.

Coupe d'une étoile géante rouge avant son explosion en supernova montrant les différentes couches scindées par les zones où se déroulent les étapes successives de la nucléosynthèse stellaire.

La nucléosynthèse stellaire aurait alors pris le relais pour former l'ensemble des éléments chimiques jusqu'au fer par fusion successive de noyaux d'hélium :

A ce stade, la fusion cesse d'être exothermique et des réactions nécessitant un milieu particulièrement énergétique interviennent pour former les éléments plus lourds : capture neutronique (processus r, processus s), protonique (processus rp), et photodésintégration (processus p), qui interviennent à la toute fin de vie des étoiles, même peu massives, et en particulier lors de l'explosion de supernovæ.

Sur Terre

Article principal : élément chimique.

Selon toute vraisemblance, la grande majorité des atomes qui forment la Terre étaient déjà présents dans la nébuleuse solaire, dont l'effondrement gravitationnel aurait génèré les système solaire. Les atomes apparus depuis proviennent le plus fréquemment de la désintégration radioactive d'éléments essentiels instables, et les rapports isotopiques des éléments correspondants offrent le moyen d'évaluer l'âge de la Terre par datation radiométrique[28]. D'autre part, l'abondance naturelle de l'hélium 3 sur Terre comparé à l'hélium 4 des gisements de gaz naturel sert à déduire que 99 % de l'hélium 4 terrestre provient de la radioactivité α[29]. D'autres atomes, qualifiés de «cosmogéniques, » proviennent de l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère terrestre : c'est le cas bien connu du carbone 14, mais également, par exemple, du béryllium 10. Enfin, de très nombreux atomes synthétiques sont produits en laboratoire à des fins principalement scientifiques, quelquefois militaires, rarement industrielles (en raison du coût prohibitif des matériaux ainsi produits), tels que le silicium 42 (pour valider certaines hypothèse sur le modèle en couches décrivant la structure nucléaire), le plutonium 239 (matériau de choix pour les armes nucléaires), le technétium 99m (très utilisé en médecine nucléaire) ou encore l'américium 241 (employé industriellement dans les détecteurs de fumée).

Atomes de Rydberg

Article principal : atome de Rydberg.

Sous certaines conditions, il est envisageable d'exciter des atomes, par exemple avec un laser à colorant, pour placer certains de leurs électrons dans des orbitales atomiques correspondant à un nombre quantique principal n égal à plusieurs dizaines d'unités, ou alors supérieur à 100[30]. De tels atomes sont nommés atomes de Rydberg. Ils ont des propriétés remarquables, telles qu'une particulièrement grande susceptibilité électrique et magnétique[31], une relative stabilité, et des fonctions d'onde électroniques approchant, dans une certaine mesure, l'orbite décrite par un électron en mécanique classique autour du noyau. Les électrons de cœur écrantent le champ électrostatique du noyau du point de vue de l'électron périphérique, pour lequel le potentiel du noyau est semblable à celui d'un atome d'hydrogène[32]. Le comportement de cet électron spécifique est spécifiquement bien décrit par le modèle de Bohr, néenmoins particulièrement insuffisant pour modéliser les atomes «conventionnels».

Les atomes de Rydberg ont une taille particulièrement supérieure à celle des atomes à l'état essentiel : l'état d'excitation jusqu'à n = 137 d'un atome d'hydrogène correspond à un rayon atomique d'environ 1 μm, soit cinq ordres de grandeur au-dessus du rayon d'un atome d'hydrogène à l'état essentiel (n = 1). Ils ne peuvent exister dans le milieu naturel terrestre car leur énergie d'ionisation y est bien inférieure à l'énergie thermique, mais repésentent une partie importante de la matière du milieu interstellaire, où ils peuvent persister longtemps sans interaction avec d'autres atomes ni avec des champs électriques ou magnétiques susceptible de provoquer leur retour à l'état essentiel. La raie spectrale à 2, 4 GHz révélatrice de la transition de nombre quantique principal entre n = 109 et n = 108 de l'atome d'hydrogène est ainsi particulièrement souvent observée par les astronomes[33].

Compte tenu de leur susceptibilité électrique et magnétique particulièrement élevée, les propriétés électriques et magnétiques des milieux contenant une proportion significative d'atomes de Rydberg sont sensiblement altérées par leur présence.

Formes atomiques rares ou hypothétiques

Différentes formes d'atomes exotiques ont été conjecturées, et quelquefois observées. C'est le cas, par exemple, des atomes muoniques, dans lesquels un électron est remplacé par un muon : 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 un hadron, tel qu'un méson, une particule Σ-, ou alors un antiproton. L'unique atome exotique ayant une durée de vie significative — qui n'excède cependant pas 2, 2 μs — est le muonium, résultant de l'interaction d'un électron avec un muon μ+ servant de «noyau». Ces formes d'atomes sont utiles pour vérifier certains aspects du modèle standard de la physique des particules, surtout les interactions élémentaires.

L'interaction d'un positon avec un antiproton donne un atome d'antihydrogène, qui est un atome d'antimatière. Il existe a priori un «antiatome» pour chaque atome ; la production d'antimatière demeure néanmoins une expérience spécifiquement coûteuse en énergie, et seul l'antihydrogène 1H a été synthétisé à ce jour.

Il existe aussi tout une variété d'atomes «conventionnels» mais néanmoins absents du milieu naturel et par conséquent produits artificiellement. Ces éléments synthétiques sont , à deux exceptions près[34], des transuraniens, qui sont de plus en plus instables à mesure que leur numéro atomique augmente.



Histoire du concept d'atome

La notion d'atome est spécifiquement bien admise par le grand public, néenmoins, paradoxalement, les atomes ne peuvent pas être observés par des moyens optiques et seuls quelques rares physiciens manipulent des atomes isolés. L'atome est par conséquent un modèle principalement théorique. Quoique ce modèle ne soit plus actuellement remis en cause, il a énormément 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 probable que plusieurs peuples aient développé la notion de «grain composant la matière», tant ce concept semble évident quand on morcelle une motte de terre, ou en regardant une dune de sable. Dans la culture européenne, ce concept apparaît pour la première fois dans la Grèce antique au Ve siècle av. J. -C. , chez les philosophes présocratiques, surtout Leucippe, env. 460-370 av. J. -C., Démocrite et , plus tard, Épicure. La théorie atomiste sera ensuite magnifiquement exposée par le Romain Lucrèce dans son œuvre De rerum natura[35], qui nous est parvenue.

Il s'agit d'une conception du monde qui est membre de la recherche des principes de la réalité, recherche qui caractérise les premiers philosophes : on suppose que la matière ne peut se diviser indéfiniment, qu'il y a par conséquent une conservation des éléments du monde, qui se transforment ou se combinent selon des processus variés. La décomposition du monde en quatre éléments (eau, air, terre, feu) peut par conséquent compléter cette thèse. L'atomisme est une solution concurrente, 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 insécables; ils composent la matière comme les lettres composent les mots. Ce fut, sans aucun doute, un tournant philosophique majeur, à l'origine du matérialisme et de la séparation de la science et de la religion. Cependant, même si l'empirisme épicurien tente d'établir cette hypothèse sur des bases scientifiques, l'atome demeure une intuition sans confirmations.

La chimie du XVIIIe 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… A titre d'exemple, pour Empédocle, les transformations de la matière s'expliquaient de la manière suivante : il y avait quatre types d'éléments (eau, air, terre, feu) qui s'associaient et se dissociaient, selon l'amour ou de la haine qu'ils se portaient — les fameux «atomes crochus». Au Moyen Âge, les alchimistes ont étudié ces transformations et remarqué qu'elles suivent des règles bien précises. Vers 1760, des chimistes britanniques 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 dioxyde de carbone), 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 XVIIIe siècle, pour expliquer la combustion ; cette théorie fut balayée par Lavoisier. )

Antoine Laurent de Lavoisier (chimiste français) décrit en 1775 que [36] : «Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme» (formulé d'une manière un peu différente à l'époque) signifiant par là que :

Cette notion marque la véritable naissance de la chimie. Les chimistes ont par conséquent commencé à recenser les éléments dont sont composées l'ensemble des substances ainsi qu'à créer une nomenclature systématique — oxygène : qui génère des acides (οξυs veut dire «acide» en grec) — hydrogène : qui génère de l'eau… A titre d'exemple, en 1774, Lavoisier, en suivant les travaux des chimistes britanniques, 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 par conséquent que ce n'est pas un élément, mais que l'eau est décomposable en éléments (c'est en fait une pyrolyse). Le terme d'«analyse» provient d'ailleurs de cette notion de décomposition, lusis (λυσιs) veut dire «dissolution» en grec : on décompose les produits (par attaque acide, en les brûlant, en les distillant... ) jusqu'à obtenir des substances simples reconnaissables aisément (l'hydrogène, l'oxygène, le carbone, le fer... ).

On a par conséquent 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 qu'on débute 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 ici 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 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 en particulier le physicien suisse Daniel Bernoulli (1733), effectuent des calculs en supposant que les gaz sont constitués 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 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 de Carl von Linné, on commence à rechercher et classer les minéraux (Jean-Baptiste Romé de L'Isle, minéralogiste français, 1772). L'abbé René-Just Haüy (cristallographe français), en 1781, 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.

XIXe siècle — le triomphe de l'atome

À ce stade, ressortaient trois notions :

Ces notions ont en commun le fait que la matière homogène se compose de corpuscules tous identiques 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 britannique), en 1804, mesure les masses des réactifs et des produits de réaction, et en déduit que les substances sont composées d'atomes sphériques, semblables pour un élément, mais différents d'un élément à l'autre, surtout par la masse de ces atomes. Il découvre aussi la notion de pression 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 la théorie atomique.

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 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), en 1811, décrit, 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 aussi l'hypothèse que les gaz sont polyatomiques, et définit nettement molécules et atomes. André-Marie Ampère (1814), Jean-Baptiste Dumas (1827) et William Prout (1834) arrivent à la même conclusion.

En 1821, John Herapath (mathématicien britannique) 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 (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 qu'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 obligatoirement la forme des molécules. Louis Pasteur (chimiste et biologiste français), en 1847, 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 (physicien français), en 1849, détermine les 32 réseaux cristallins envisageables. En 1858, Rudolf 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 permit à Ludwig Boltzmann (physicien autrichien), en 1858, d'estimer la taille des molécules et de définir la répartition statistique des vitesses dans un gaz.

Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (chimiste russe), en 1869, classe les atomes par masse croissante, et remarque qu'il y a une périodicité dans leurs propriétés chimiques. Il établit par conséquent un tableau classant les éléments ; les trous dans ce tableau permirent de découvrir de nouveaux éléments.

Bilan

La notion d'atome et de molécule a par conséquent permis le succès de la thermodynamique statistique, de la chimie et de la cristallographie. À cette notion, vont correspondre des modèles qui seront affinés au cours du développement de la physique et spécifiquement précisés par les découvertes de la physique quantique durant le XXe siècle, et surtout :

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. Actuellement, 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, favorise la compréhension, par conséquent 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 insécables, qu'elle était comme «de la poussière dans la lumière». C'est avec l'expérience de Rutherford qu'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»...

Il en déduit le modèle atomique planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif particulièrement petit et d'électrons tournant autour ; ce modèle pose un gros problème : en tournant, les électrons devraient perdre de l'énergie par rayonnement, et par conséquent s'écraser sur le noyau… (ex.  : Capture K)

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.

Le modèle de J. J. Thomson ou modèle de l'électron élastiquement lié a l'atome

Article détaillé : Modèle de Thomson.
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 en 1897, on savait que la matière était composée de deux parties : une négative, les électrons, et une positive, le noyau. Dans le modèle imaginé alors par Joseph John Thomson, les électrons, particules situées, baignaient dans une «soupe» positive, à l'image des pruneaux dans le far breton (ou dans le plum-pudding pour les Britanniques ou encore comme des raisins dans un gâteau). Ce modèle fut invalidé en 1911 par l'expérience d'un de ses anciens étudiants, Ernest Rutherford.

Le 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 de particules 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 par conséquent un modèle planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif autour duquel tournent des électrons négatifs. Entre le noyau - particulièrement petit comparé à l'atome (environ 100 000 fois) - et ses électrons, un très grand vide existe.

Ce modèle fut particulièrement 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 expériences montrant la quantification des niveaux d'énergie d'autre part.

Modèles approchés fréquemment employés

Le modèle des sphères dures

Le modèle le plus simple pour représenter un atome est une boule indéformable. Ce modèle est particulièrement utilisé en cristallographie. Une molécule peut se voir comme plusieurs boules accolées, un cristal comme des boules empilées. On utilise quelquefois une représentation «éclatée» : les atomes sont représentés comme des petites boules espacées, reliées par des traits, servant à faire ressortir les directions privilégiées, les angles et de visualiser le nombre des liaisons.

modèle des sphères 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. Par contre, 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 ?

Le modèle de Bohr

Modèle de l'atome de Bohr : un modèle planétaire dans lequel les électrons ont des orbites définies
Article détaillé : 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 XIXe siècle qu'on peut en «arracher» des particules portant une charge électrique négative, les électrons. Dans le modèle de Bohr, l'atome se compose 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 particulièrement compact, d'un diamètre d'environ 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 rayon est admis quasi nul (tout du moins plus petit que ce qu'on peut estimer). Ils portent une charge négative. Pour des raisons de lisibilité, le schéma ci-dessous n'est par conséquent 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 sert à décrire les phénomènes spectroscopiques fondamentaux, c'est-à-dire le fait que les atomes absorbent ou émettent uniquement certaines longueurs d'onde (ou couleur) de lumière ou de rayons X. En effet, le dispositif {noyau+électrons} étant stable et confiné, d'énergie négative, il ne possède qu'un ensemble discret d'états (et par conséquent 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 par conséquent les raies spectroscopiques des atomes. Le modèle de Bohr, décomposant l'atome en deux parties, un noyau et un nuage d'électrons, est plus précis que le modèle des sphères dures, pour lequel la surface de la sphère correspond à l'orbite des électrons extérieurs.

Cependant, particulièrement vite, le modèle de l'atome de Bohr ne permettra pas d'expliquer la totalité des observations (effet Zeeman, etc. ). Il faudra attendre 1924-1926 pour qu'avec Schrödinger, les orbites deviennent orbitales avec des énergies stationnaires : la Mécanique Quantique est née.

Le modèle actuel : modèle de Schrödinger

L'apparition de la mécanique ondulatoire de Louis de Broglie 1924, généralisée par Erwin Schrödinger en 1926 amène à proposer un nouveau modèle, dont les aspects relativistes furent décrits par Paul Dirac en 1928 ; 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 situées en orbite, mais des nuages de probabilité de présence. Ce point de vue, révolutionnaire, peut choquer en première approche. Cependant la représentation qu'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 monde microscopique. Il faut bien se pénétrer du fait que ce qu'on connaît de l'électron ne repose que sur des manifestations indirectes : courant électrique, tube cathodique (télévision) …

Depuis les années 1930, on modélise ainsi l'électron par une «fonction d'onde» dont le carré de la «norme représente la densité de probabilité de présence». Pour représenter scrupuleusement les propriétés de l'électron, on ne dispose que des fonctions mathématiques compliquées. Cette abstraction rebute toujours bien des physiciens. Nous allons essayer de donner une image de cette notion de fonction d'onde, image obligatoirement imparfaite.

Imaginons que hors de l'atome, l'électron soit une petite bille. Quand l'électron est capturé par l'atome, il se «dissout» et devient un nuage diffus, il s'«évapore». Lorsque 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 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 légèrement plus exacte : un électron, hors d'un atome, est représenté par un paquet d'ondes, qui peut être reconnu, dans certaines limites, comme une petite bille. La mécanique quantique démontre 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 par conséquent, non la conservation de la forme (non connue) de l'électron, mais l'intégrale de la probabilité de présence.

Dans le modèle de Schrödinger, les nuages correspondant aux divers 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 semblables indiscernables. Les effets d'échange amènent 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 pour montrer quelques schémas dévoilant les points fondamentaux du modèle :

Soit ρ (r, θ, φ) la densité de probabilité de présence au point de coordonnées sphériques (r, θ, φ). Pour l'état essentiel, la densité de probabilité, ρ, est maximale au centre de l'atome. Considérons désormais la densité radiale de probabilité de présence (à la distance r du noyau, l'ensemble des directions confondues)  :

P(r) = 4\pi rˆ2 \cdot \rho(r,0,0),

cette densité radiale est maximale pour r = r1 de la première orbite du modèle de Bohr (dans l'expression ci-dessus, on a tenu compte de la symétrie sphérique de ρ, semblable pour l'ensemble des directions). on a en fait :

ρ (0, 0, 0) > ρ (r1, 0, 0), mais P (0) < P (r1).
Densité de probabilité de présence de l'électron, état essentiel de l'hydrogène — la densité, dans un plan xy, section droite passant par le centre de l'atome, est indiquée par des niveaux de gris (elle est maximale au centre). La courbe en superposition (axe 0r) donne la densité de probabilité radiale selon la distance r, c'est-à-dire la probabilité d'être en r toutes directions confondues : elle est maximale pour le premier rayon de Bohr (0, 0529 nm).

En fonction de l'état quantique de l'électron (essentiel, excité …) ces nuages peuvent prendre différentes formes, qui sont décrites surtout par les harmoniques sphériques. La forme la plus simple est la symétrie sphérique, montrée surtout, ci-dessus, dans le cas de l'état essentiel, |1s>.

Graphe de la densité de probabilité de présence.

Des combinaisons linéaires de fonctions d'onde, utilisant des harmoniques sphériques différentes, permettent la naissance d'une anisotropie qui va devenir principale pour le passage de la notion d'atome à celle de molécule. Le schéma ci-contre montre une coupe de la densité de probabilité de présence de l'orbitale hybride |2spz > de l'atome d'hydrogène, coupe contenant Oz axe de symétrie de l'orbitale atomique. Pour cet exemple, l'axe Oz devient 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 :

On notera pour terminer que des corrections relativistes sont 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).

Le noyau atomique

Article détaillé : Noyau atomique.

Si la mécanique quantique permit d'expliquer rapidement les caractéristiques spectroscopiques des atomes et des molécules, le cœur de l'atome, son noyau, fut plus complexe 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 l'indispensable invention d'au moins une interaction supplémentaire donnant la possibilité de 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 de radioactivité alpha, bêta et gamma, dont les premières observations dataient de la dernière décennie du XIXe siècle.

La décennie qui précéda la Seconde Guerre mondiale mena à la découverte des deux interactions maîtresses de la stabilité du cœur : l'interaction forte et l'interaction faible. La petitesse de la portée de ces deux interactions, respectivement 10-15 m et 10-18 m explique les difficultés expérimentales rencontrées. Les difficultés théoriques ne manquent pas, non plus ; il ne s'agit pas de lois physiques aussi simples que celles de l'électromagnétisme, même compliquées par la mécanique quantique, mais de la compréhension de l'ensemble des particules élémentaires… L'invention des quarks et des gluons donne 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 du tableau de Mendeleïev. On se retrouve là dans le foisonnement de la naissance de l'univers et de la dynamique des étoiles.

Notation

Un atome est fréquemment désigné par son symbole chimique, complété par son nombre de masse A (égal au nombre de nucléons de l'atome) positionné en haut ainsi qu'à gauche du symbole.

Exemple : le carbone 12 de nombre de masse 12 est noté {}ˆ{12}\mathrm C\,.

Il est habituel de compléter cette écriture par le numéro atomique Z, positionné en bas ainsi qu'à gauche du symbole, pour décrire une réaction nucléaire dans laquelle intervient un isotope.

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

Ainsi, le carbone 14 {}ˆ{14}_{\ 6}\mathrm C\, et le carbone 12 {}ˆ{12}_{\ 6}\mathrm C\, sont deux isotopes.

Notes et références

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  3. Nuclear Size and Density
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  5. The Quantum Atom
  6. Atomic Orbitals
  7. Models of the atomic nucleus : with interactive software Par Norman D. Cook sur Google Livres
  8. Hyperphysics – Shell Model of Nucleus Description du modèle en couches du noyau atomique et des nombres magiques.
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  19. CEA Saclay – Spectroscopy of very heavy elements Slide #16 – Limit of stability : positron emission.
  20. Walter Greiner, Stefan Schramm, «Resource Letter QEDV-1 : The QED vacuum», dans American Journal of Physics, vol.  76, no 6, 2008, p.  509-518 (10) texte intégral, lien DOI (pages consultées le 26/06/2009)  ]  avec surtout tout une liste de références à consulter sur le thème de l'électrodynamique quantique.
  21. E. Clementi, D. L. Raimondi, W. P. Reinhardt, «Atomic Screening Constants from SCF Functions. II. Atoms with 37 to 86 Electrons», dans J. Chem. Phys. , vol.  47, 1967, p.  1300 lien DOI ] 
  22. [[Linus Pauling|Pauling, L. ]], «The Nature of the Chemical Bond. IV. The Energy of Single Bonds and the Relative Electronegativity of Atoms», dans Journal of the American Chemical Society, vol.  54, no 9, 1932, p.  3570–3582 lien DOI ] 
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  28. G. Brent Dalrymple, «The age of the Earth in the twentieth century : a problem (mostly) solved», dans Geological Society, London, Special Publications, vol.  190, 2001, p.  205–21 texte intégral, lien DOI (pages consultées le 2008-01-14)  ] 
  29. Helium : Fundamental models, 2 septembre 2006
  30. (en) Thomas F. Gallagher, Rydberg Atoms, Cambridge University Press, 1994 (ISBN 0521021669)  
  31. Rydberg Atom Optics, 2004-11-08
  32. Rydberg Atoms and the Quantum Defect, 2005-05-31
  33. Gasdynamics and Interstellar Medium, 2007-03-22
  34. Le technétium et le prométhéum.
  35. Dans cet article de Wikipedia, voir surtout le paragraphe "Atomes et vide, être et non-être, finalisme et efficience"
  36. Cette notion avait déjà été énoncée dans l'Antiquité, par Anaxagore de Clazomène, et elle fut acceptée par la plupart de philosophes (épicuriens, stoïciens, etc. )  ; ce principe se fondait sur les observations envisageables pour l'époque et fut élaborée selon une démarche scientifique.

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"le noyau que d'électrons"

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