L'atome (1) : Un pilier de la matière

Aujourd'hui on va parler des atomes. C'est à dire de ces soit disant particules dont nous sommes intégralement composés et qui façonnent de façon non-négligeable l'univers qui nous entoure. J'utilise le mot "non-négligeable" plutôt que "intégralement" pour une raison précise que je ne peux pas vous énoncer ici mais que vous comprendrez plus tard en lisant mes articles sur la cosmologie.

Il y a beaucoup de choses à dire sur les atomes, c'est pourquoi je vais diviser cet article en deux parties. La première partie consiste en une introduction à la notion d'atome, j'y décrirai ce qu'est en gros un atome et j'expliquerai en partie la classification des éléments chimiques. Dans la deuxième partie, on regardera différents modèles atomiques, on ira beaucoup plus en détail dans la description de l'atome et vous vous rendrez vite compte que ce "bout" de matière est quelque chose d'extrêmement compliqué 😉

Bref, en quelques mots, qu'est ce qu'un atome ? 

Un atome est un constituant de la matière qui est composé d'un noyau qui constitue plus de 99.9% de sa masse totale et autour duquel gravitent des particules appelées électrons qui représentent un "nuage" dont l'extension spatiale est 100 000 fois supérieure à celle du noyau. Je parle de nuage d'électrons car il ne faut pas oublier qu'à l'échelle atomique, la matière possède des propriétés quantiques, c'est à dire que les électrons sont représentés par une fonction d'onde qui est directement reliée à la probabilité de présence de la particule autour du noyau. Je vous reporte à mon article sur la dualité onde-corpuscule pour plus de détails. 🙂

Voici une représentation "quantique" du atome. Celui-ci est constitué d'un noyau au centre et d'électrons autour formant un nuage électronique. Le noyau atomique est si petit que si le nuage électronique avait la taille d'un stade de foot, le noyau aurait la taille un petit pois. [Source : Wikipédia]
Voici une représentation "quantique" de l'atome. Celui-ci est constitué d'un noyau au centre et d'électrons autour formant un nuage électronique. Le noyau atomique est si petit que si le nuage électronique avait la taille d'un stade de foot, le noyau aurait la taille un petit pois. [Source : Wikipédia]

Donc notre atome, on peut le visualiser comme une sphère qui serait presque entièrement composée de vide. Étrange quand on observe que la matière qui nous entoure semble pleine ...

Les électrons qui gravitent autour du noyau atomique sont en grande partie régis par l'interaction électromagnétique. Ils ne tournent pas n'importe comment autour du noyau, leur mouvement est défini par leur énergie cinétique et potentielle un peu comme l'énergie de la Terre autour du soleil à la différence qu'en mécanique quantique, cette énergie est quantifiée. En gros, l'électron ne peut avoir que certains niveaux d'énergie. Ces niveau décrivent ce que l'on appelle en chimie physique les orbitales atomiques.

On a pour habitude de représenter les orbitales électroniques ou couches électroniques par des cercles concentriques de plus en plus grand. Sachez que cette représentation est FAUSSE. Cette représentation est juste pratique dans certaines circonstances, notamment en chimie. Nous verrons plus loin à quoi ressemblent vraiment les orbitales électroniques. [Source : openclassrooms.com]
On a pour habitude de représenter les orbitales électroniques ou couches électroniques par des cercles concentriques de plus en plus grand. Sachez que cette représentation est FAUSSE. Cette représentation est juste pratique dans certaines circonstances, notamment en chimie. Nous verrons plus loin à quoi ressemblent vraiment les orbitales électroniques. [Source : openclassrooms.com]

Le noyau est composé de protons et de neutrons et la stabilité du noyau est régie par l'interaction forte. Cette interaction est à très courte portée - d'où la taille du noyau par rapport aux orbitales électroniques - et donne lieu, de la même manière qu'avec les électrons à des couches nucléaires.

Les liaisons chimiques entre les atomes sont assurées par les électrons, ce sont grâce à eux que les atomes peuvent se rassembler afin de former des molécules et même que les molécules peuvent s'assembler entre elles pour former la matière que nous connaissons.

On note généralement un élément chimique de la manière suivante :

_{Z}^{A}\textrm{X}

ou X est l'abréviation de l'élément chimique (par exemple H : Hydrogène, C : Carbone, U : Uranium), Z est le nombre de protons dans le noyau et A est le nombre de masse de l'élément chimique qui correspond approximativement au nombre de nucléons dans le noyau.

Voilà pour la petite introduction, maintenant passons aux choses sérieuses et regardons comment s'est façonné la notion d'atome au cours du temps.

Histoire de l'atome

La matière est depuis toujours l'objet de fascination pour l'homme. Les premières idées scientifiques apparaissent au cours du Vème siècle avant J-C en Grèce antique. Les philosophes comme Leccipe, Démocrite et Épicure un peu plus tard se posent des questions au sujet du concept de matière. Des idées finissent par germer; la matière ne peut pas se diviser indéfiniment, elle est donc forcément composée de particules indivisibles. Ces particules prennent leur nom "atome" du grec ancien. Certains philosophes se mettent donc à penser qu'il existe 4 atomes différents qui constituent l'ensemble de la matière connue. Ces éléments sont l'air, la terre, l'eau et le feu.

Cette vision de la matière restera la même pendant plus de 1500 ans ! Il faudra attendre le XVIIIème siècle pour que de nouvelles idées bien plus rigoureuses sur la matière naissent. Parmi ces idées, il y en a une qui bouleversera le monde scientifique de l'époque et donnera naissance à la chimie. En 1775, Antoine Lavoisier montrera la conservation de la masse pendant les réactions chimiques. On tirera de lui la célèbre phrase "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme". Dans le même temps, les études sur les propriétés des gaz et des transferts de chaleur donneront naissance à la thermodynamique qui aura un impact important dans la mise au point des premiers modèles atomiques.

Il faudra tout de même attendre le XIXème siècle pour observer de vraies avancées sur la compréhension de la matière et de ses constituants fondamentaux. Les scientifiques se rendront notamment compte que l'atome n'est pas une particule indivisible mais qu'il est constitué de particules encore plus petites (découverte de l'électron) et un peu plus tard, en 1869, un certain Dimitri Mendeleïev  mettra au point la célèbre classification périodique des éléments chimiques.

Classification périodique de Mendeleïev. Il n'avait à l'époque pas tous les éléments que nous avons aujourd'hui, certains lui manquaient en particulier l'hélium qui est presque absent sur Terre et qui sera découvert plus tard en observant le spectre d'émission du Soleil. [Source : Wikipedia]
Classification périodique de Mendeleïev. Il n'avait à l'époque pas tous les éléments que nous avons aujourd'hui, certains lui manquaient en particulier l'hélium qui est presque absent sur Terre et qui sera découvert plus tard en observant le spectre d'émission du Soleil. [Source : Wikipedia]

Avec l'avènement de la mécanique quantique au XXème siècle, l'atome est de mieux en mieux compris et modélisé. Son étude est à l'origine de certaines disciplines qui n’existaient pas avant comme la physique subatomique ou la physique des particules. Bref, la compréhension de l'atome constitue un pas de géant en Physique ! 🙂

Atome et tableau périodique

Voyons plus en détail comment est constitué un atome et comment se construit le tableau périodique des éléments chimiques. Tout d'abord, on revient sur la notion d'atome.

Je vous l'ai déjà dit, un atome est constitué par les particules suivantes :

  • Les protons : Ce sont des particules chargées positivement électriquement et dont la masse est très faible, 1.67x10-27 kilogrammes soit un milliardième de milliardième de milliardième de kilogramme. Autant dire que c'est très peu 🙂
  • Les neutrons : Ces particules sont neutres et possèdent la même masse que les protons. Ensemble, les protons et les neutrons forment le noyau atomique qui est chargé positivement.
  • Les électrons : Les électrons sont des particules dites "élémentaires" qui orbitent autour du noyau atomique. Ces particules possèdent une charge électrique négative qui est exactement l'opposée de la charge électrique du proton. Elles possèdent également une masse encore plus faible que les nucléons (protons + neutrons) puisqu'elle est environ 2000 fois plus légère. C'est la raison pour laquelle 99.9% de la masse de l'atome se trouve dans le noyau.

Les électrons et les protons interagissent ensemble par l'intermédiaire de l'interaction électromagnétique. Un peu à la manière de la gravitation, l'électron est attiré par le noyau atomique et orbite autour de celui-ci. Cependant, il ne faut pas oublier que l'électron suit des lois quantiques et donc possède plusieurs caractéristiques :

  • Il ne tourne pas autour du noyau mais est représenté par une fonction d'onde donc la période temporelle correspondrait à la période de l'électron si il était une particule classique.
  • L'énergie de l'électron est quantifiée. La particule ne peut pas avoir toutes les énergies possibles, seules certaines valeurs sont possibles et à chaque valeur d'énergie est associée une ou plusieurs orbitales atomiques qui sont les fonctions d'onde de l'électron pour une certaine énergie.
Voici un exemple de fonctions d'ondes de l'atome d'hydrogène. Les taches colorées représentent la probabilité de trouver l'électron en un endroit donné suivant l'échelle de couleur. Cette probabilité dépend des niveaux d'énergie de l'électron d'où la présence de plusieurs schémas pour représenter la fonction d'onde de l'atome d'hydrogène. [« Hydrogen Density Plots » par PoorLeno (talk) — the English language Wikipedia (log).Original text: I created this work entirely by myself. References:Forinash, Kyle. Hydrogen W Simulation. Indiana University Southeast. Retrieved on 2008-12-18.Tokita, Sumio; Sugiyama, Takao; Noguchi, Fumio; Fujii, Hidehiko; Kobayashi, Hidehiko (2006). "An Attempt to Construct an Isosurface Having Symmetry Elements". Journal of Computer Chemistry, Japan 5 (3): 159–164. DOI:10.2477/jccj.5.159.. Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydrogen_Density_Plots.png#/media/File:Hydrogen_Density_Plots.png]
Représentation des orbitales atomiques de l'électron autour du noyau d'hydrogène (c'est à dire un proton simple). Chaque fonction d'onde est représentée par un triplet de nombres (n,l,m) qui permet de décrire l'état de l'électron. n représente le niveau d'énergie de l'électron. l est un indice dit de dégénérescence de n, c'est à dire que pour le niveau d'énergie n, il existe l fonctions d'onde différentes. m est un indice qui permet d'indexer les fonctions d'ondes et va de -l à l. Ici, seules les valeurs positives de m sont représentées car les fonctions d'ondes sont les mêmes à une rotation près.  [Source : Wikipedia]

Nous avons parlé de la nécessité des protons et des électrons pour la stabilité de l'atome mais nous n'avons pas discuté de la nécessité des protons dans le noyau. Effectivement, les protons et neutrons interagissent ensemble grâce à l'interaction forte et je ne pense pas que je vous en parlerai ici et peut être très peu dans le prochain article sur l'atome car cette force fait appel à de nombreuses notions que je n'ai pas encore abordé.

Vous l'avez sans doute compris, il y a autant de protons que d'électrons dans un atome, c'est donc un élément chimique neutre. Cependant, il existe des éléments qui sont constitués d'un nombre différent de protons et d'électrons, on les nomme les ions.

  • Si le nombre d'électrons est supérieur au nombre de protons, on parle d'ion négatif ou d'anion.
  • Si le nombre d'électrons est inférieur au nombre de protons, on parle d'ion positif ou de cation.

La charge de l'élément chimique est extrêmement importante lors de réactions chimiques par exemple. C'est elle qui permet d'agencer en eux des molécules ioniques et donner naissance à des cristaux comme le sel de table (NaCl = Na+ + CL-) par exemple.

Le nombre de neutrons joue également un rôle très important dans le noyau atomique bien que sa charge soit nulle. Il détermine la stabilité de celui-ci. Deux noyaux ayant un même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent sont appelés isotopes. Le 12C (Carbone 12) est un isotope stable tandis que le 14C (Carbone 14) est un isotope instable, c'est à dire qu'il se désintègre en un élément chimique plus petit, en l'occurence de l'12N (Azote 12) ici.

Chaque atome possède des propriétés physiques différentes (masse, spectre d'émission, stabilité ... ) et des propriétés chimiques différentes (liaisons covalentes, électronégativité ... ) bien particulières. La classification périodique de Mendeleïev permet de catégoriser ces éléments en fonction de leurs propriétés. Voyons grossièrement comment on le construit.

Tableau périodique des éléments chimiques. Ils sont représentés par leur symbole atomique au centre, leur numéro atomique qui correspond au nombre de protons du noyau et leur masse molaire atomique qui est équivalente à une constante près au nombre atomique de l'élément chimique. [Source : lachimie.fr]
Tableau périodique des éléments chimiques. Ils sont représentés par leur symbole atomique au centre, leur numéro atomique qui correspond au nombre de protons du noyau et leur masse molaire atomique qui est équivalente à une constante près au nombre atomique de l'élément chimique. [Source : lachimie.fr]

Comment se divise le tableau ?

Rappelez vous que l'atome possède ce que l'on appelle communément des couches électroniques qui sont en fait déterminées par le nombre n appelé nombre quantique principal qui détermine le niveau d'énergie de l'électron. A chaque couche - c'est à dire à chaque niveau d'énergie - on associe une à 4 sous-couches (en fonction de l'élément chimique) et chaque sous-couche peut comporter plusieurs électrons. On les nomme de la façon suivante :

  • Sous-couche s : Elle peut comporter au maximum 2 électrons
  • Sous-couche p : Elle peut comporter au maximum 6 électrons
  • Sous-couche d : Elle peut comporter au maximum 10 électrons
  • Sous-couche f : Elle peut comporter au maximum 14 électrons
  • Inutile d'aller au delà, il n'existe pas d'atomes suffisamment gros pour avoir besoin d'une sous-couche supplémentaire.

Les sous-couches représentent en fait différentes catégories de fonctions d'ondes pour un même niveau d'énergie n indexé par les lettres K(n = 1), L(n = 2), M(n=3), N(n=4) ... . Et chaque 2-électrons sont représentés par une fonction d'onde différente (J'associe les électrons par paire car deux électrons peuvent avoir la même fonction d'onde; le principe d'exclusion de Pauli ne sera pas violé car on caractérise ces paires d'électrons par un spin différent. Si vous ne comprenez rien, on verra ça plus tard 😉 ). On représente usuellement les couches électroniques d'un atome avec la représentation fausse que je vous ai présenté au début de l'article.

Représentation d'un atome par ses couches électroniques. Chaque couche (K, L, M ...) est composé de sous-couches. [Source : sweetrandomscience.blogspot.fr]
Représentation d'un atome par ses couches électroniques. Chaque couche (K, L, M ...) est composé de sous-couches. [Source : sweetrandomscience.blogspot.fr]

Chaque couche électronique est composé des sous-couches qui contiennent les électrons. En utilisant ces principes, on peut "écrire" les atomes sur le papier grâce à la règle de Klechkowski.

Ecriture électronique des premiers atomes suivant la règle de Klechkowski. Pour la construction du tableau périodique, il est intéressant de regarder la dernière couche et la dernière sous-couche.
Ecriture électronique des premiers atomes suivant la règle de Klechkowski. Pour la construction du tableau périodique, il est intéressant de regarder la dernière couche et la dernière sous-couche.

 Le numéro avant la lettre est le nombre quantique principal ou encore numéro de la couche électronique (K : 1, L : 2, M : 3 ... ). La lettre est la sous-couche associée à la couche marquée par le numéro. Le petit exposant à droite de la lettre associée à la sous-couche représente le nombre d'électrons présents dans cette sous-couche. Vous remarquerez que toutes les sous-couches "internes" sont pleines alors que la dernière sous-couche ne l'est pas forcément. En faisant la somme des exposants, on retrouve bien le numéro atomique de l'élément chimique. Maintenant, regardez bien le nombre d'électron présent dans la dernière sous-couche ainsi que le numéro de la dernière couche et regardez la classification périodique des éléments.

Tableau périodique des éléments chimiques. Ils sont représentés par leur symbole atomique au centre, leur numéro atomique qui correspond au nombre de protons du noyau et leur masse molaire atomique qui est équivalente à une constante près au nombre atomique de l'élément chimique. [Source : lachimie.fr]
[Source : lachimie.fr]

Vous constatez que les lignes sont numérotées de 1 à 7 c'est à dire par couches électroniques et que les colonnes sont numérotées de 1 à 2 dans la première ligne, de 1 à 8 dans la seconde ligne, de 1 à 8 dans la troisième, de 1 à 18 dans la quatrième ... et ce de telle manière que les éléments de la première colonne ne possèdent qu'un seul électron dans leur dernière couche et les éléments de la dernière colonne ont leur dernière couche pleine.

Vous l'avez compris, les éléments chimiques sont classés suivant l'organisation de leur dernière couche électronique et ceci est très important car c'est elle qui détermine la plupart de leurs propriétés chimiques. Nous verrons dans un prochain article comment les éléments interagissent entre eux donnant naissance aux réactions chimiques.

Je crois avoir dis suffisamment de choses pour aujourd'hui, je ferai une partie 2 de cet article qui traitera plus précisément des modèles atomiques (semi-classiques et quantiques) et présentera de nombreux nouveaux concepts de la physique quantique. En attendant, si cet article vous a plu, n'hésitez pas à commenter et à partager ! 🙂

Si vous avez des questions sur cet article ou n'importe quel autre sujet, vous pouvez me les poser en laissant un commentaire, ou en posant la question dans la section questions/réponses ou encore en m'envoyant un e-mail à l'adresse brahimiloann.blog@gmail.com 😉


Voici mes sources d'inspiration ainsi que tous les sites ou livres que je vous conseille si vous souhaitez pousser votre étude un peu plus loin : 

Pour ceux qui voudraient en savoir plus sur les atomes, leurs propriétés et leur histoire, de façon ludique, je vous redirige vers le site atome-hotel qui est un projet monté par des professeurs-chercheurs de l'université de Montpellier dans le but de faire connaitre la classification périodique au plus de monde possible.

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