Atome und isotope
Yüklə 358,81 Kb. Pdf görüntüsü
|
| ATOME Un atome (grec ancien ἄτομος [átomos], « insécable »)1 est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec un autre. Les atomes sont les constituants élémentaires de toutes les substances solides, liquides ou gazeuses. Les propriétés physiques et chimiques de ces substances sont déterminées par les atomes qui les constituent ainsi que par l'arrangement tridimensionnel de ces atomes. Contrairement à ce que leur étymologie suggère, les atomes ne sont pas indivisibles, mais sont constitués de particules subatomiques2. Ils comprennent un noyau, qui concentre plus de 99,9 % de leur masse, autour duquel se distribuent des électrons, qui forment un nuage 10 000 à 100 000 fois plus étendu que le noyau lui-même3,4, de sorte que le volume d'un atome, grossièrement sphérique, est presque entièrement vide. Le noyau est formé de protons, porteurs d'une charge électrique positive, et de neutrons, électriquement neutres ; l'hydrogène fait exception, car le noyau de son isotope 1H ne contient aucun neutron. Les protons et neutrons, également appelés nucléons, sont maintenus ensemble dans le noyau par la liaison nucléaire, qui est une manifestation de l'interaction forte. Les électrons occupent des orbitales atomiques en interaction avec le noyau via la force électromagnétique. Le nuage électronique est stratifié en niveaux d'énergie quantifiés autour du noyau, niveaux qui définissent des couches et des sous-couches électroniques ; les nucléons se distribuent également selon des couches nucléaires, bien qu'un modèle approché 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. 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. 118 éléments chimiques sont reconnus par l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) depuis le 18 novembre 2016. Les atomes d'éléments différents ont des tailles différentes, ainsi généralement que des masses différentes, bien que les atomes d'un élément chimique donné puissent avoir des masses différentes selon les isotopes considérés. Les atomes les plus lourds, ou dont le noyau présente un déséquilibre trop important entre les deux types de nucléons, tendent à devenir plus instables, et sont alors radioactifs ; le plomb 208 est l'isotope stable le plus lourd. La théorie atomiste, qui soutient l'idée d'une matière composée de « grains » indivisibles (contre l'idée d'une matière indéfiniment sécable), est connue depuis l'Antiquité, et a été notamment défendue par Leucippe et son disciple Démocrite, philosophes de la Grèce antique, ainsi qu'en Inde, plus antérieurement, par l'une des six écoles de philosophie hindoue, le vaisheshika, fondé par Kanada. Elle fut disputée jusqu'à la fin du xixe siècle et n'a plus été remise en cause depuis lors. L'observation directe d'atomes n'est devenue possible qu'au milieu du xxe siècle avec la microscopie électronique en transmission et l'invention du microscope à effet tunnel. C'est ainsi sur les propriétés des atomes que reposent toutes les sciences des matériaux modernes, tandis que l'élucidation de la nature et de la structure des atomes a contribué de manière décisive au développement de la physique moderne, et notamment de la mécanique quantique. Le diamètre estimé d'un atome « libre » (hors liaison covalente ou cristalline) est compris entre 62 pm (6,2 × 10−11 m) pour l'hélium et 596 pm (5,96 × 10−10 m) pour le césium5, tandis que celui d'un noyau atomique est compris entre 2,4 fm (2,4 × 10−15 m) pour l'isotope 1H et 14,8 fm (1,48 × 10−14 m) environ pour le nucléide 238U6 : le noyau d'un atome d'hydrogène est donc environ 40 000 fois plus petit que l'atome d'hydrogène lui-même. Le noyau concentre cependant l'essentiel de la masse de l'atomea : le noyau du lithium 7, par exemple, est environ 4 300 fois plus massif que les trois électrons qui l'entourent, l'atome de 7Li ayant une masse de l'ordre de 1,172 × 10−26 kg. Pour fixer les idées, la masse des atomes est comprise entre 1,674 × 10−27 kg pour le protium et 3,953 × 10−25 kg pour l'uranium 238, en s'en tenant aux isotopes qui ont une abondance significative dans le milieu naturel — il existe des noyaux plus lourds mais aussi bien plus instables que le nucléide 238U. Cette masse est généralement exprimée en unités de masse atomique (« uma », ou « u »), définie comme la douzième partie de la masse d'un atome de 12C non lié, immobile et à son état fondamental, soit 1 uma = 1,660 54 × 10−27 kg ; dans cette unité, la masse du nucléide 238U vaut 238,050 782 6 uma. Une unité alternative également très employée en physique des particules est l'électron-volt divisé par le carré de la vitesse de la lumière (eV/c2), qui est homogène à une masse en vertu de la fameuse équation E = mc2 de la relativité restreinte, et qui vaut 1 eV/c2 = 1,783 × 10−36 kg ; dans cette unité, la masse du noyau 238U est égale à 221,7 GeV/c2. Compte tenu de leur taille et de leur masse singulièrement réduites, les atomes sont toujours en très grand nombre dès qu'on manipule une quantité de matière macroscopique. On définit ainsi la mole comme étant la quantité de matière constituée par autant d'unités élémentaires (atomes, molécules, électrons, etc.) qu'il y a d'atomes dans 12 g de carbone 12, soit pas moins de 6,022 × 1023 unités élémentaires, ce qu'on appelle le nombre d'Avogadro. Bien que son étymologie signifie « indivisible » en grec ancien, un atome est en réalité constitué de particules élémentaires plus petites, et peut donc être divisé ; mais il constitue bien la plus petite unité indivisible d'un élément chimique en tant que tel : en brisant, par exemple, un atome d'hélium, on obtiendra des électrons, des protons et des neutrons, mais on n'aura plus un corps simple ayant les propriétés de l'hélium. L'électron e− est une particule très peu massive (9,109 4 × 10−31 kg, soit 511,00 keV/c2) et pourvue d'une charge électrique négative de −1,602 × 10−19 C. Le proton p+ est 1 836 fois plus massif que l'électron (1,672 6 × 10−27 kg, soit 938,27 MeV/c2) et porte une charge électrique positive de même valeur absolue que celle de l'électron, soit 1,602 × 10−19 C. Le neutron n0 est 1 838,5 fois plus massif que l'électron (1,674 9 × 10−27 kg, soit 939,57 MeV/c2), et électriquement neutre. Le modèle standard de la physique des particules décrit les nucléons comme des baryons composés de particules élémentaires appelées quarks : le proton est constitué de deux quarks up et d'un quark down : p+ = uud ; le neutron est constitué d'un quark up et de deux quarks down : n0 = udd. Les électrons, quant à eux, sont des leptons qui constituent, avec les quarks, le groupe des fermions. La grande différence entre quarks et leptons est que seuls les premiers connaissent toutes les interactions élémentaires, y compris l'interaction nucléaire forte, dont les médiateurs sont des bosons de jauge appelés gluons ; les leptons ne connaissent que l'interaction faible (via les bosons Z0 et W+) et l'interaction électromagnétique (via les photons). Toutes ces Yüklə 358,81 Kb. Dostları ilə paylaş:
|