Un atome (du grec ancien : ατομος [atomos], « que l’on ne peut diviser ») est la plus petite partie d’un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre.
Les atomes constituent l’élément de base des études chimiques. Ils s’assemblent en molécules en partageant leurs électrons.
Un peu d’histoire
L’idée de l’existence de l’atome date de l’Antiquité. Elle fut discutée jusqu’à la fin du XIXe siècle. Aujourd’hui, elle n’est plus objet de controverse.
Ce n’est, cependant, qu’à la fin du XIXème siècle qu’une série d’expériences ont permis de comprendre mieux ce qu’est un atome avec, notamment, la mise en évidence de l’électron. Les caractéristiques de l’électron ont été obtenues à partir des travaux de Crookes, Perrin, Millikan, et Thomson. L’existence du noyau, elle, ne fut formellement démontrée qu’au début du XXe siècle avec les expériences de Rutherford. Par la suite, de nombreux travaux vinrent compléter ce modèle en identifiant les particules constitutives du noyau atomique.
L’atome n’est plus, aujourd’hui, considéré comme un grain de matière insécable. En effet, depuis le début du XXe siècle différentes expériences de physique nucléaire ont permis de le briser pour élucider une partie de sa structure interne.
L’électron
La première mise en évidence de l’existence de l’électron date des travaux de Crookes et Perrin à la fin du XIXème siècle.
Crookes travaillant sur le rayonnement cathodique, assimila ce rayonnement à des particules négatives en mouvement. Dans ses expériences, un tube de verre contenant un gaz très faible pression comporte deux électrodes. On applique une différence de potentiel de 50 kV entre ces deux électrodes. On observe alors une faible lueur verdâtre de fluorescence sur la paroi de verre du côté de l’anode.
La première hypothèse faisait appel à des anions résultant du choc des molécules sur la cathode. Schuster émise alors l’hypothèse d’une particule négative provenant de l’ionisation des gaz est commune à tous les corps. Ceci fut la première approche de l’électron.
Dans le même temps, Jean Perrin recueilli le rayonnement cathodique dans un cylindre de Faraday relié à un électroscope. Il s’aperçut ainsi que les feuilles divergent à la suite de l’apparition d’une charge négative. En outre, il s’aperçut que soumis à un champ électrique, le rayonnement cathodique subit une déviation qui empêche de charges électroscope.
Comme toutes ces expériences sont indépendantes de la nature des électrodes et du gaz contenu dans le tube, les particules constituant le rayon cathodique doivent être présentes dans tous les corps. Ainsi est né le concept d’électrons.
Le noyau atomique
on doit la mise en évidence du noyau atomique à Rutherford. Il utilisa un émetteur radioactif de particules alpha (noyau d’hélium) pour bombarder une feuille métallique très fine.
Le faisceau alpha traverse la feuille pratiquement sans subir d’atténuation. La tâche observée garde la même intensité avec ou sans feuille d’or. Une très faible partie des particules alpha sont déviés et provoque des impacts lumineux en divers endroits du document de la paroi de l’ampoule.
À partir de ces observations, Rutherford postulat que la masse de l’atome se trouvait concentrée dans un volume assimilable à une sphère très petite par rapport au rayon de l’atome. Cette sphère est appelée noyau de l’atome.
On tire plusieurs constatations de ses observations :
la matière à une structure lacunaire
le noyau un rayon de l’ordre de 10-14 m
le noyau est chargé positivement créant un champ électrique très intense à son proche voisinage
autour du noyau, un angström environ, gravitent les électrons permettant à la tonne d’être globalement neutre électriquement.
On découvrira plus tard que ce noyau est, lui même composé de deux type de particules, les protons et les neutrons.
Le proton
On doit la découverte du proton à Eugen Goldstein.
En 1886, Il observe expérimentalement des rayons en utilisant une lampe à décharge à gaz raréfié possédant une cathode percée. Il appelle ces rayon : Rayons Canaux. En provoquant une décharge électrique dans un gaz raréfié, en l’occurrence l’hydrogène, les électrons accélérés par la différence de potentiel ionisent les molécules du gaz en formant des noyaux d’hydrogène ou proton. Le faisceau de protons est alors observé à l’arrière de l’anode.
Le neutron
La découverte du neutron a résulté de trois séries d’expériences.
En 1930, en Allemagne, Walther Bothe et Herbert Becker observent que les éléments légers lithium, béryllium et bore, bombardés par des particules α, émettent des rayons « ultra pénétrants » qu’ils supposent être des rayons gamma beaucoup plus énergiques que ceux émis par des noyaux radioactifs ou accompagnant les transmutations nucléaires.
En 1931, en France, Irène et Frédéric Joliot-Curie intrigués par ces résultats cherchent à comprendre la nature de ce rayonnement et découvrent qu’il a la propriété de mettre en mouvement des noyaux atomiques et en particulier des protons… Ils supposent qu’il s’agit là d’un effet Compton entre des gamma dont ils estiment l’énergie à environ 50 MeV (une énergie très élevée pour l’époque) et de l’hydrogène.
En 1932, en Angleterre, aussitôt ces résultats parus, James Chadwick fait un test confirmant les résultats et va plus loin et mesurant avec précision l’énergie des noyaux projetés en utilisant la réaction nucléaire du béryllium bombardé par des particules α :
4He(α) + 9Be → 12C + 1n
Il peut affirmer que le rayonnement « ultra pénétrant » ne peut être un rayonnement gamma, d’énergie très élevée, mais doit être composé de particules de masse 1 et de charge électrique 0 : c’est le neutron.