L'atome

Présentation

atome Toute forme de matière (solide, liquide, gaz ou matière vivante) est constituée de briques appelées atomes ou encore éléments . Dans la nature, il existe environ 90 atomes différents qui se combinent pour former d'infinies variétés de composés. Il faut y ajouter les atomes naturels radioactifs (et donc instables) et ceux créés artificiellement par l'homme lors de réactions nucléaires . Il existe 118 atomes qui ont été découverts ou créés .Certains atomes récemment découverts sont baptisés en hommage à des physiciens (tels que le Curium, l'Einsteinium, le Mendélévium) ou à des pays ou régions (tels le Polonium, le Francium, le Californium)
atome L'atome le plus abondant de l'Univers est aussi le plus simple: l'hydrogène (symbole H) qui représente 75% de la matière totale du cosmos. L'hydrogène possède un noyau formé de 1 proton autour duquel tourne 1 électron. C'est le plus petit atome. Tous les atomes sont caractérisés par leur Nombre atomique noté Z: il s'agit du nombre total de protons de cet atome. Par exemple, pour l'hydrogène Z = 1, pour le carbone Z = 6, pour l'uranium Z = 92 etc... Pour un atome, le nombre de protons Z sera donc égal au nombre d'électrons car la charge - de l'électron neutralise la charge + d'un proton.
Chaque élément possède un nom courant et un symbole chimique international de une ou deux lettres (ou trois lettres provisoires pour les éléments très récents).C'est donc le nombre de protons Z qui définit l'atome. nomat

Le neutron présent dans le noyau ressemble beaucoup au proton: de masse à peu près équivalente, il est néanmoins électriquement neutre.Neutron et proton forment la famille des nucléons.Pour un type d'atome, le nombre de neutrons (noté N) peut être variable, mais il est en général assez proche du nombre de proton Z, sauf pour les atomes très lourds. Par exemple, l'uranium naturel existe sous deux formes: son noyau peut avoir 92 protons + 143 ou 146 neutrons.On appelle ces deux variétés d'uranium des isotopes de l'uranium, notés U 235 (car 92 protons + 143 neutrons = 235 nucléons) et U 238 (pour 238 nucléons). Dans U 235, on appelle 235 le nombre de masse de l'atome, noté A.Autre exemple, si l'hydrogène (en plus de son unique proton) possède un ou deux neutrons, il devient un isotope d'hydrogène (baptisé ici deutérium ou tritium selon le cas).Un atome comme le carbone est noté symboliquement avec A=12 et Z=6. A noter que certains isotopes d'atomes courants tels le Carbone 14 ou le Potassium 40 sont radioactifs et donc instables.
Les atomes radioactifs sont aussi appelés radioéléments.A l'échelle humaine , pour avoir une idée de ce qu'est un atome imaginons un atome d'hydrogène avec son unique électron d' une taille inférieure à un micron (un millième de millimètre) .Cet atome aurait une masse de 900 tonnes et son électron "tournerait autour" du noyau dans un volume d'environ 100m de diamètre (soit environ la longueur d'un terrain de football) et le reste serait rempli de vide.

Tous ces atomes ou éléments ont été classés dans le tableau périodique créé à l'origine par le chimiste russe Mendéleïev en 1869

tabperiod

(tableau périodique THOT CURSUS)

Qu'est-ce qui lie les électrons au noyau ?
Les électrons peuvent-ils tomber sur le noyau ?
Qu'est-ce qu'un ion ?
Quelle est la taille d'un atome ?
Quelle est la masse d'un atome ?
Un atome est-il vide ?

La réponse à toutes ces questions ne relève plus de la physique standard, mais de la Physique quantique qui est abordée dans une rubrique annexe.

Les molécules

Les molécules sont des assemblages d'atomes, attachés les uns aux autres par des forces de liaison. Les molécules les plus simples sont composées de deux atomes, comme le dioxygène que nous respirons. D'autres molécules plus complexes sont composées de centaines ou de milliers d'atomes. Quant aux molécules d'ADN contenues dans chacune des cellules de notre corps, elles comportent des milliards d'atomes ! Mais ce n'est pas aussi compliqué qu'il n'y parait : assembler des atomes ressemble un peu à un jeu de montage microscopique, avec certaines règles à respecter. Les électrons sont obligés de rester dans leurs couches respectives et ne peuvent pas être quelque part entre deux couches. Les couches ne peuvent accueillir qu'un nombre précis d'électrons. La première couche est appelée K, elle est réservée aux veinards qui côtoient le noyau au plus près. Il n'y a de la place que pour deux électrons sur cette couche. Plus loin, on trouve la couche L qui peut accueillir 8 électrons. couches

Encore plus loin se trouve la couche M où 18 électrons peuvent loger et ainsi de suite jusqu'à la couche P qui a une capacité maximale de 72 électrons. Dans le schéma ci-dessus, quatre premières couches sont représentées. Pour les curieux, le nombre d'électrons Ne qu'une couche peut accueillir est égale à 2n² où n est le numéro de la couche (n = 1 pour la couche K, n = 2 pour la couche L etc.). Quant à la désignation par lettres, elle vient du fait que la première couche fut appelée K pour Kern qui signifie Noyau en allemand.

La formation des liaisons atomiques

Ce qu'il faut savoir , c'est que ce sont les électrons situés sur la couche la plus éloignée du noyau (la couche externe) qui vont créer des liaisons atomiques. Pour s'attacher l'un à l'autre, des atomes vont partager les électrons de leurs couches externes respectives. Il existe quelques règles simples pour cela. Lorsqu'une liaison se forme, chaque atome met en commun le même nombre d'électrons. C'est comme si les atomes se donnaient la main ou jouaient à accroche décroche: chaque atome doit tendre la main vers l'autre, en donnant le même nombre d'électrons. Des atomes dont la couche externe est incomplète vont chercher à la compléter, car un atome dont la couche externe est pleine devient plus stable. En revanche, un atome qui a une couche externe occupée au maximum (on dit qu'elle est saturée) ne cherchera pas à former des liaisons. Le nombre liaison

d'électrons sur la dernière couche va donc présider à la formation ou non d'assemblages d'atomes. L'atome d'oxygène par exemple, possède 6 électrons sur sa couche externe (la couche L) alors qu'il pourrait en avoir 8. Il va donc essayer de trouver deux électrons quelque part. C'est pourquoi l'oxygène est un élément très réactif qui n'est presque jamais seul. L'atome d'hydrogène, lui, n'a qu'un seul électron sur sa couche externe, alors qu'il voudrait en avoir deux. L'atome d'oxygène peut donc s'associer à deux atomes d'hydrogène, qui vont partager chacun un électron, et former ainsi une molécule d'eau :

liaison d'atomes pour former une molécule d'eau

Dans la molécule d'eau, le nuage d'électrons externes se déforme vers l'oxygène, créant un pole négatif et deux pôles positifs dans la molécule. On dit que la molécule est polaire, et c'est cette propriété qui est exploitée pour le chauffage dans les fours à micro-ondes. L'oxygène peut aussi s'associer avec n'importe quel autre atome qui serait prêt à lâcher deux électrons. Il peut même s'associer à lui même, pour former du dioxygène. Il existe beaucoup d'autres combinaisons possibles, parfois très compliquées, avec plein d'atome différents ! Une molécule peut réagir avec une autre pour donner une nouvelle molécule plus grande. A l'inverse, une molécule

peut être cassée en plusieurs petites molécules. La forme et les groupes d'atomes spécifiques donnent aux molécules leurs propriétés. Le groupement O-H par exemple (un atome d'oxygène et un atome d'hydrogène) est caractéristique des molécules appelées "alcools". Il existe une branche de la chimie spécialement dédiée à l'étude de molécules carbonées : la chimie organique
Les molécules sont présentes partout. Elles constituent les substances que nous mangeons et que nous utilisons tous les jours. La plupart des molécules sont naturelles, c'est à dire qu'elles se forment spontanément dans la nature, ou qu'elles sont synthétisées par des organismes vivants : l'hémoglobine dans notre sang ou la chlorophylle des plantes vertes par exemple. Les molécules jouent aussi un rôle indispensable dans le développement de la vie. Notre ADN est une molécule géante constituée de milliards d'unités de base, qui a la forme d'une échelle enroulée, comme sur la figure ci-contre. Toutes les substances qui interviennent dans notre corps sont des molécules, souvent très complexes : enzymes, protéines, hormones etc.Pour mieux comprendre les liens qui unissent les atomes dans une molécule voici un lien tres utile notation de Lewis

La radioactivité

Un jour de 1896, Henri Becquerelen développant une plaque photographique vierge rangée dans une armoire près d'un sachet de sels d'uranium constate que la plaque photo est impressionnée sans avoir été exposée à la lumière. Après avoir renouvelé cette expérience, il en conclut que l'Uranium émet un rayonnement spontané qu'il nomme "rayons uraniques". En 1898, Marie Curie découvre que la pechblende, un minerai d'uranium, émet davantage de rayonnements que l'uranium lui-même. Elle en déduit que ce minerai contient, en très petite quantité, un ou plusieurs éléments beaucoup plus actifs que l'uranium. A l'aide de son mari Pierre Curie, et après deux ans d'effort, elle parvient à isoler deux nouveaux éléments: Le Polonium (baptisé ainsi en hommage à la patrie de Marie) et le Radium . A cette occasion, Marie Curie inventa le mot "radioactivité". La radioactivité est une transmutation spontanée d'un atome en un autre atome avec émission de rayonnement. A ce stade du propos , il nous faut parler de la ionisation pour bien comprendre ce qui suit

L'ionisation consiste à arracher des électrons aux atomes comme le montre la petite animation
On parle de radioactivité artificielle quant il s'agit d'éléments fabriqués par l'homme. Dans ce dernier cas, les atomes sont très lourds (numéro atomique Z élevé), très instables. Les physiciens créent ces radioéléments artificiels en bombardant des atomes naturels avec des protons ou des particules alpha: les noyaux de ces atomes acquièrent donc des protons supplémentaires qui les transforment en nouveaux atomes plus lourds. Or la radioactivité est souvent produite par de gros noyaus instables.... Cette transformation de noyaux atomiques s'appelle une réaction nucléaire dont deux exemples font beaucoup parler d'eux:

la fission et la fusion nucléaire.

En 1938, O. Haln et F. Strassmenn observent qu'un noyau d'uranium 235 peut éclater sous l'impact d'un neutron et donner deux noyaux plus légers. Le phénomène de fission est découvert.
Vers les années 1920, le physicien Aston découvre en étudiant le défaut de masse* de l'hélium qu'il est possible de récupérer une importante quantité d'énergie en fabriquant un noyau d'hélium à partir d'éléments plus légers.En effet, deux nucléides au faible nombre de masse peuvent, lors d'un choc, fusionner et donner un nucléide au nombre de masse plus élevé : c'est la fusion nucléaire.
Pour chacune des impactes , il existe trois types de radioactivité caractérisées par l'émission de différents rayons émis par le noyau de l'atome :

fission3 — fission : principe de la réaction en chaîne

fission : neutron+U235-->2neutrons + produit de fissions + 200 Mev

fusion : Deutérium +Titium-->Helium +neutron +17.6 Mev

rayons a (alpha) sont arrêtés par 6 cm d'air. Ils sont constitués de particules alpha composées de deux protons et de deux neutrons (en fait un noyau d'Hélium). Ces particules alpha ne sont que des fragments de noyaux lourds instables qui se réorganisent pour devenir des noyaux plus légers et plus stables (non radioactifs donc!).
les rayons b (bêta) sont arrêtés par un écran d'aluminium.
les rayons g (gamma) sont très pénétrants et peuvent traverser un coffre-fort. Ils sont constitués de photons (particules de lumière) de haute énergie. Ils ne sont que pure énergie sans aucune masse. Ces photons g émis par le noyau sont dûs au réarrangement interne des nucléons du noyau. Ces nucléons sont organisés en couches concentriques (type oignon), un peu comme les électrons le sont autour du noyau. Dès qu'un nucléon glisse d'une couche nucléaire externe vers une couche plus interne (et donc moins énergétique), ce dernier cède de l'énergie sous forme de photon g.

Cette réaction non contrôlée est utilisée dans la bombe à hydrogène ou bombe H. (Histoire de la bombe atomique) Elle a aussi lieu dans le coeur de notre Soleil où la température atteint les cent millions de degrés.La fusion nucléaire y est autorégulée par un équilibre entre la pression de l'explosion produite et la force de gravitation qui écrase la masse énorme du Soleil sur elle-même. Cette réaction est la source d'énergie de la vie sur Terre... sans que dieu y soit pour quelque chose.

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