Comment voit-on la structure cachée des atomes ?

Structure de l'atome

Historique et découverte de l'atome

Tout ce que nous voyons est constitué d'atomes, de beaucoup d'atomes 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.

Taille, masse et composition de l'atome

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. 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 environ 100 000 fois plus grand que son noyau. Encore plus étonnant, on connait même, par ordre de grandeur, le nombre d'atomes dans l'univers observable : il est estimé à environ 10⁸⁰, soit un 1 suivi de 80 zéros — une valeur obtenue en combinant le nombre estimé d'étoiles (environ 10²³) et leur masse moyenne convertie en nombre d'atomes d'hydrogène équivalents.

La stabilité des atomes

Le paradoxe de la physique classique

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.

La solution de la mécanique quantique

Les génies scientifiques du 20ème siècle vont résoudre ce paradoxe en 1924, grâce à la mécanique ondulatoire de Louis de Broglie (1892-1987) généralisée en 1926 par Erwin Schrödinger (1887-1961) prix Nobel de physique en 1933 avec Paul Dirac (1902-1984) 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.

Orbitales et liaisons chimiques

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.

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.

Atomes d'or visibles

Observation des atomes d'or par microscope à effet tunnel

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.

L'exploit historique d'IBM : écrire avec des atomes

Voir des atomes est une chose ; les déplacer un par un en est une autre. C'est ce qu'ont démontré, en novembre 1989, les physiciens Donald Eigler et Erhard Schweizer, du centre de recherche IBM Almaden en Californie. En utilisant la pointe d'un microscope à effet tunnel comme une pince atomique, ils ont déplacé un par un 35 atomes de xénon sur une surface de nickel refroidie à 4 kelvins (soit -269 °C), pour former les trois lettres « IBM ». L'opération, minutieuse, a duré environ 22 heures. Le logo obtenu ne mesurait que 5 nanomètres de haut sur 17 nanomètres de large — environ 500 000 fois plus petit que des lettres imprimées ordinaires. Publiée en 1990 dans la revue Nature, cette image est devenue emblématique de la naissance des nanosciences : elle prouvait que le microscope à effet tunnel ne servait pas seulement à observer les atomes, mais aussi à les manipuler et à construire, littéralement, avec la matière la plus élémentaire qui soit. Cette technique de manipulation atome par atome reste aujourd'hui un outil de laboratoire plutôt qu'un procédé de fabrication industrielle, les conditions requises (vide poussé, température proche du zéro absolu) étant trop contraignantes pour une production de masse.

Au-delà du STM : la microscopie à force atomique et les progrès récents

Le microscope à effet tunnel (STM) présente une limite : il exige une surface conductrice, car il mesure un courant d'électrons qui « tunnelisent » entre la pointe et l'échantillon. Pour étudier des matériaux isolants ou des molécules individuelles, les chercheurs utilisent une technique complémentaire mise au point en 1986 : la microscopie à force atomique (AFM), qui mesure non pas un courant mais la force d'interaction entre une pointe ultrafine et les atomes de la surface, ce qui permet de sonder pratiquement n'importe quel matériau.

Depuis le milieu des années 2010, ces techniques ont fait un bond en avant. En 2023, une équipe de recherche a utilisé l'AFM pour observer directement la signature d'orbitales électroniques d'atomes de métaux uniques au sein de molécules organiques, une prouesse qui confirme à l'échelle d'un seul atome les formes prédites depuis un siècle par l'équation de Schrödinger. La même année, une autre équipe a développé une technique fondée sur la microscopie électronique en transmission à balayage (STEM), capable de cartographier la densité électronique à l'échelle atomique dans des matériaux bidimensionnels. Ces mesures restent indirectes — on ne « photographie » pas un électron comme un objet ordinaire — mais elles rapprochent chaque année un peu plus la physique quantique théorique de l'observation directe.

Taille des atomes

Rayons atomiques des éléments

Rayon atomique théorique (calculé) de certains atomes (la taille est 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.