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Structure de l'atome

Tout ce que nous voyons est constitué d'atomes, de beaucoup d'atomes. Le terme "atome" vient du mot grec "atomos" (indivisible). Il y a bien longtemps déjà, au 4ème siècle av JC, les philosophes grecs Leucippe et Démocrite émettent l'hypothèse que toute la matière est composée de particules minuscules en mouvement perpétuel, très solides et éternelles. Aujourd'hui nous avons une idée un peu plus précise de l'atome car il n'est pas indivisible. On connait sa taille approximative depuis 1811, Amedeo Avogadro estime la taille des atomes, à 10^-10 mètre. En 1911, Ernest Rutherford précise la structure de l'atome et donne une taille au noyau atomique de l'ordre de 10^-14 mètre. Concernant la taille des atomes, on parle d'orbitales atomiques, c'est-à-dire du nuage électronique qui entoure le noyau (voir image ci-contre), ce nuage a un diamètre théorique compris entre 62 pm (picomètres) pour l'atome d'Hélium à 596 pm pour l'atome de Césium. Mais rien n'est simple dans la nature de la matière et cette minuscule distance varie en fonction de la nature chimique des atomes environnants. Bien que le noyau concentre l'essentiel de la masse de l'atome (99,99%), on connait aussi sa masse, pour les atomes stables, elle est comprise entre 1,674×10^-24 g pour l'Hydrogène et 3,953×10^-22 g pour l'uranium. On connait aussi sa composition, à l'intérieur on y voit un noyau et un nuage électronique qui occupe toute l'étendue spatiale de l'atome puisqu'il est plus de 10 000 fois plus grand que son noyau. Encore plus étonnant, on connait même le nombre d'atomes dans l'univers, ce nombre est extraordinairement grand, si on devait l'écrire il faudrait écrire un 1 suivi de 72 zéros.
Mais qu'est-ce qui maintient la stabilité des atomes ?
La stabilité de l'atome ne s'explique pas par la physique classique car en physique classique, l'électron corpusculaire chargé négativement et le proton chargé positivement soulèvent un paradoxe.

En physique classique, la matière devrait disparaitre, s'annihiler car un électron qui rayonne autour d'un noyau, perd de l'énergie (théorie de Maxwell) et donc devrait tomber sur le noyau. Ce qui veut dire que la stabilité d'un atome est incompréhensible dans le cadre de la théorie classique.
Les génies scientifiques du 20ème siècle vont résoudre ce paradoxe grâce à la mécanique ondulatoire de Louis de Broglie en 1924 et généralisée en 1926 par Erwin Schrödinger (prix Nobel de physique en 1933 avec Paul Dirac, pour l'équation d'onde appelée équation de Schrödinger. En mécanique quantique, il n'est pas possible de connaitre exactement la valeur d'un paramètre sans la mesurer. La théorie mathématique décrit un état, non pas, par un couple vitesse et position précisément, mais par une fonction d'onde (vecteur d'état), qui permet de calculer la probabilité de trouver la particule en un point. D'où le caractère probabiliste de la mécanique quantique qui prédit que les particules sont aussi des ondes et plus seulement des points matériels.
Les électrons occupent des orbitales atomiques en interaction avec le noyau via la force électromagnétique, tandis 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 également en couches nucléaires, bien qu'un modèle assez commode, popularise la structure nucléaire d'après le modèle de la goutte liquide.
Plusieurs atomes peuvent établir des liaisons chimiques entre eux grâce à leurs électrons et d'une manière générale, les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par leur configuration électronique, laquelle découle du nombre de protons de leur noyau. Ce nombre, appelé numéro atomique, définit un élément chimique.

Image : Représentation de la structure atomique de l'atome d'hélium 4. Pour des raisons de lisibilité, l'image ci-dessus n’est pas à l’échelle. Le noyau atomique apparait en rose au centre et, en dégradé de gris tout autour, le nuage électronique ou l'orbitale atomique.
Le noyau d'hélium 4 est schématiquement agrandi, montrant les deux protons et les deux neutrons en rouge et violet, sa taille est de 1 femtomètre ou 10^-15 mètre. En réalité, le noyau (et la fonction d'onde de chacun des nucléons) est également sphérique, comme les électrons de l'atome. Crédit image : domaine public.

Image d'un atome

En 1911, Ernest Rutherford précise la structure de l'atome en bombardant une feuille d'or avec des particules issues de la désintégration radioactive de l'uranium. Il donne même une taille, au noyau atomique de l'ordre de 10^-14 mètre. Concernant la taille des atomes, on parle d'orbitales atomiques, c'est à dire du nuage électronique qui entoure le noyau, ce nuage a un diamètre théorique compris entre 62 pm (picomètres) pour l'atome d'Hélium à 596 pm pour l'atome de Césium. Ernest Rutherford aurait bien aimer voir les atomes mais les longueurs d'onde de la lumière visible (400 à 800 nanomètres) sont supérieures aux dimensions de l'atomes (≈0.1 nanomètre). Aujourd'hui on peut voir les atomes grâce aux STM.
Le microscope à effet tunnel (STM Scanning Tunneling Microscope) date de 1981, mis au point par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer (prix Nobel de physique pour cette invention en 1986).
Le microscope à effet tunnel est un petit microscope de quelques centimètres, de type microscopes en champ proche, équipé d'une pointe de tungstène (W) ou de platine iridié (Pt Ir) si fine de la taille d'un atome, qu'elle permet de scanner sous vide, la surface d'un échantillon de matière. Un ordinateur ajuste et enregistre, en temps réel avec une très grande précision, la hauteur de la sonde pour maintenir un courant constant. Ensuite l'ordinateur mesure et amplifie le courant résultant, par effet tunnel, du passage des électrons entre la pointe et la surface de l'échantillon. Ce mouvement traduit le relief de la surface et donc celui des atomes eux-mêmes ce qui permet de reconstruire l'image détaillée de la surface parcourue à l'échelle atomique.
Pour voir les atomes les scientifiques utilisent un métal conducteur d'électricité qui ne s'oxyde pas, comme l'or ou le platine iridié, car la plupart des surfaces de matière se recouvrent d'une couche hyperfine d'oxyde qui empêche le passage du courant tunnel.

L'effet tunnel est une des propriétés d'une particule quantique, cette propriété lui permet de franchir une barrière de potentiel même si son énergie est inférieure à l'énergie minimale requise.

Tableau : rayon atomique théorique (calculé) de certains atomes, la taille est donnée en picomètres (10^-12 mètre). Le rayon atomique est la moitié de la distance qui sépare les noyaux de deux atomes contigus. Les valeurs indiquées dans ce tableau ne sont qu'indicatives.

Image : Au plus près de la matière, la surface d'une feuille d'or pur (Au 100) est détaillée ici par un microscope à effet tunnel. Les atomes d'or visibles sur cette image, sont régulièrement espacés entre eux sur la structure cristalline de l'or. Cette image atomique a été réalisée avec un STM Omicron basse Température par Erwin Rossen, Eindhoven University of Technology, en 2006.