Taille des atomes

Voir un atome d'environ 1 angström

Du grec "atomos", indivisible, l'atome est la plus petite particule d'un élément chimique, il est constitué d'un noyau autour duquel se déplacent un certain nombre d'électrons, 1 pour l'hydrogène, 6 pour le carbone, 26 pour le fer, 92 pour l'uranium, etc.
Ce sont les interactions électrons-électrons dues à leurs étonnantes propriétés quantiques qui donnent naissance à la grande diversité des éléments que nous trouvons dans la nature. L'organisation des éléments de la nature est représentée par le tableau périodique des éléments ou table de Mendeleïev qui classifie tous les éléments chimiques naturels et artificiels, ordonnés par numéro atomique (nombre de protons) croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique.
Le monde des électrons appartient au monde quantique des atomes, c'est-à-dire au monde microscopique. Entre l'atome du monde microscopique et le monde macroscopique, il y a un très grand nombre de grandeurs. Dans 1 gramme de matière comme le carbone 12, il y a ≈10²² atomes.
On connait la taille approximative des atomes depuis 1811, Amedeo Avogadro (1776-1856) a estimé cette taille à 1 angström, c'est-à-dire 10^-10 mètre et un siècle plus tard, en 1911 Ernest Rutherford (1871-1937) précise la structure de l'atome et donne une taille au noyau atomique de l'ordre de 10^-14 mètre. On peut dire que les atomes sont séparés les uns des autres de quelques angströms.
Mais depuis l'avènement de la mécanique quantique, dans les années 1920, on ne se représente plus l'électron comme un objet qui tourne sur une orbite bien régulière autour du noyau, comme dans un modèle planétaire. Nous savons aujourd'hui que le mouvement d'un électron est bien différent du mouvement des planètes. En mécanique quantique l'électron ne suit pas une trajectoire unique, il se situe ici et là, dans une région autour du noyau que l'on appelle le nuage électronique ou orbitale atomique.
Les orbitales de l'électron peuvent prendre différentes formes caractéristiques en fonction de la nature de l'atome, par exemple l'orbitale de l'atome de l'hydrogène a une forme sphérique, l'orbitale de l'atome de l'oxygène a la forme de deux gouttes d'eau, l'orbitale de l'atome de fer a la forme de quatre gouttes d'eau. Cette forme de l'orbitale atomique définit la taille de l'atome.
Ainsi le diamètre du nuage électronique autour du noyau, c'est-à-dire le diamètre de l'atome tout entier est de l'ordre de 0,1 nanomètre ou un dix milliardième de mètre. Un atome est si petit qu'on pourrait aligner 10 millions d'atomes sur un millimètre. Cependant le nuage électronique d'un atome n'a pas de dimension bien définie car c'est une superposition d'orbitales atomiques de nature probabiliste (elles varient). Il n'existe donc pas de définition unique, ni de mesure bien précise de la taille des atomes car la forme de cette région de l'espace atomique dépend de l'énergie de l'électron et de son moment cinétique.

Mais pour se faire une idée de la taille de l'atome, les scientifiques ont défini un rayon atomique théorique. Un rayon atomique théorique représente la moitié de la distance moyenne entre des noyaux d'atomes liés entre eux. Bien que cette distance varie en fonction des propriétés de l'atome, on peut calculer pour chaque noyau atomique, la taille de ses orbitales atomiques (voir tableau). La taille des atomes augmente en fonction du nombre d'électrons ou plutôt en fonction de l'occupation des orbitales atomiques des électrons de la couche extérieure qui est beaucoup moins liée au noyau que les couches intérieures. Plus il y a de couches (niveaux d'énergie quantique) dans l'atome et plus la couche extérieure est étendue, autrement dit la superposition des orbitales atomiques augmente la taille des atomes car la couche extérieure est de moins en moins liée au noyau et donc plus libre. Cependant, plus il y a d'électrons dans les couches intérieures et plus l'attraction du noyau atomique est croissante car il y a de plus en plus de protons et donc de charges positives. Cette propriété (nombre de protons) limite l'extension spatiale des orbitales atomiques chargées négativement (charges négatives des électrons), en les rapprochant du noyau.

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 : Depuis les années 1990 grâce au microscope à effet tunnel il est possible de voir et de manipuler individuellement les atomes à la surface d'un matériau. Cela permet de réaliser de petites structures atomiques qui sont à la base des nanotechnologies.
Pour réaliser ce type d'image, la pointe très fine du microscope à effet tunnel balaye la surface du matériau, à quelques nanomètres d'altitude en émettant une tension électrique constante. En passant au-dessus des orbitales atomiques, elle est capable d'enregistrer des variations infimes du courant tunnel qui va circuler à la surface.
A la surface du matériau, un petit flux d’électrons réussit à franchir la barrière de potentiel par « effet tunnel », un phénomène bien connu de la mécanique quantique. Ce courant électrique est alors mesuré par le microscope à effet tunnel et la pointe reproduit fidèlement la topographie de la surface, avec une résolution de l’ordre de 0,1 nanomètre ou 1 angström, c'est-à-dire la taille de l’atome. C'est ainsi que nous pouvons voir aujourd'hui, ce mystérieux monde quantique dans lequel évoluent toutes les particules de matière et aussi se représenter la structure cristalline des éléments chimiques dans l'infiniment petit. Crédit image : STM Image Gallery Blue Nickel.

Le plus petit film du monde

Depuis les années 1990 grâce au microscope à effet tunnel il est possible de voir et de manipuler individuellement les atomes à la surface d'un matériau.
Ce film a été réalisé par la société IBM, avec des atomes de fer sur une plaque de cuivre, c'est le plus petit film au monde.
Dans ce nano film chaque point lumineux est un atome, qui occupe sur cet écran 12 pixels.
Les petites vagues successives qui créent des oscillations autour des points lumineux ne sont pas un défaut du film mais des vagues d'électrons. Ces oscillations de Friedel ne sont pas une bizarrerie mais trahissent la nature quantique des atomes, à la fois particules et ondes. La forme de ces oscillations constitue une véritable carte d’identité des électrons.
Ce film à l’échelle du nanomètre, mesure 52 atomes de fer par 32, c'est-à-dire ≈8 nanomètres sur ≈5 nanomètres. Sur un longueur de 1 millimètre on pourrait aligner 10 000 films de cette taille.
Chaque image est produite avec la pointe d'un microscope à effet tunnel, à quelques degrés du zéro absolu, c'est aussi le film le plus froid du monde.

N. B. : Jacques Friedel (1921 - 2014) est physicien français, professeur émérite à l'université Paris-Sud Orsay, spécialiste de la physique théorique des solides. Il a été président de l'Académie des sciences pour la période 1993-1994.