Cet article a pour objectif de parler de succinctement rappeler ce qu’est un atome pour en venir au sujet de la matière. Si vous souhaitez avoir une approche plus détaillée et expérimentale de l’atome vous pouvez consulter l’article sur la physique des particules au CERN. Vous y trouverez des explications plus précises sur les faits historiques et expérimentaux majeurs ayant mené à la description de l’atome tel que nous le connaissons. Aussi j’y parle de la détection des particules et de leur manipulation.
 

Rappel historique

 

Dans cet article, je parlerais des atomes, que l’on considère généralement être les constituants fondamentaux de la matière. Le concept d’atome a été anticipé par certains philosophes Grecs il y a 2 500 ans, sans fondement expérimental. Il restait donc un concept philosophique sur lequel il est intéressant de se pencher. Les atomistes du temps de la Grèce antique avaient principalement le raisonnement suivant : si la matière est infiniment divisible, elle est constituée d’éléments infiniment petits, donc il est impossible de construite des objets aux dimensions palpables. En effet mettre bout-à-bout des éléments infiniment petits pour obtenir un objet d’une longueur donnée leur paraît absurde, il faut donc que des objets finis en dimensions et indivisibles existent : les atomes.

 

Il faudra attendre le début du XIXème siècle et des expériences de chimies menées par plusieurs scientifiques européens pour développer une intuition physique de la chose. En observant que les éléments présents lors de réactions réagissaient en proportions entières, il a été déduit que la matière ne pouvait qu’être constituée de parties élémentaires. De nombreuses expériences vont dans ce sens. Par exemple, le botaniste Robert Brown, en observant en 1827 la diffusion de particules au sein pollen aidera les physiciens à décrire le mouvement des particules au sein de gaz : en effet les observation de Brown montrent que les particules se déplacent en changeant de direction de temps en temps, de manière brutale dans ce qui semble être un phénomène aléatoire – qu’on appellera mouvement brownien. Cette observation est incompatible avec l’idée d’une matière continue, non pas faites d’atomes mais de substances étendues. Ainsi la matière est constituée d’éléments individuels, interagissant entre eux. Ceci introduit une quantification de la matière.

 

L’atome moderne

 

L’atome d’hydrogène est constitué de deux particules, le proton et l’électron. Cette phrase nous introduit dans la physique des particules et brise l’idée de l’atome indivisible. L’électron, découvert en 1897 par Thomson a vu sa place discutée longtemps. On pensait que l’atome était une sorte de cake : les électrons seraient dispersés dans une grosse masse chargée positivement à la manière de raisins. Puis des expériences de diffusion ont confirmé l’existence du noyau : les électrons gravitaient autour du noyau constituant l’essentiel de la masse de l’atome. Ces électrons sont en nombre égal à la charge du noyau. Ce dernier fait est déduit simplement de l’impossibilité d’arracher plus d’un certain nombre d’électrons à chaque atome : 1 pour l’hydrogène, 6 pour le carbone … Ce fait veut aussi dire que l’on peut changer la constitution d’un atome, qu’il existe une famille d’atomes aux propriétés proches.

 

Ce qui caractérise les propriétés d’un atome, c’est son nombre de protons : c’est lui qui va déterminer si l’atome est un métal, un gaz noble, un alcalin … Ceci est dû à l’influence de la charge des protons sur les orbites des électrons : les protons ayant une charge électrique positive, ils attirent les objets ayant la propriété opposée, ce qui est le cas des électrons. Les électrons ne vont donc pas réagir de la même manière s’il y a un proton, 5 protons ou plus au sein du noyau. Comme ce sont les électrons qui circulent, interagissent, forment les liaisons … il en va des propriétés de l’atome entier. On peut donc classer les atomes en fonction du nombre de protons au sein du noyau.

Il y a alors plusieurs atomes de carbone, qui ont tous le même nombre de protons et d’électrons – 6 – mais pas le même nombre de neutrons. Ce dernier étant neutre électriquement il n’influence que très peu les propriétés de l’atome. Un atome auquel on a enlevé ou ajouté des électrons est appelé ion. Les ions, bien que rarement présents sous forme de molécules ou de solides, sont présents dans de nombreux systèmes. En particulier ils jouent un rôle crucial chez les êtres vivants : stockage de l’énergie, transport de l’information, équilibrage de l’acidité … leurs rôles sont nombreux.

 

Enfin, on sait que les protons et neutrons sont divisibles en particules plus petites, mais ces particules ne jouent aucun rôle dans les réactions chimiques, qui impliquent fondamentalement les atomes comme décrits plus haut, je laisse volontairement ceci de côté concernant la question de la matière. Il n’en reste pas moins que jusqu’à présent on ne parle que de nature corpusculaire des éléments.

 

Qu’est-ce que la matière ?

 

L’électron est pour sa part considéré comme une particule élémentaire, indivisible. Mais qu’en est-il de l’objet lui-même. Les atomes échappent à notre entendement, il est difficile de comprendre ce dont il s’agît. On imagine souvent une petite bille sphérique aux dimensions finies : cette image échoue à expliquer l’atome, elle est donc insuffisante. Les particules comme l’électron, le proton ou le neutron sont modélisés par des zones étendues de l’espace. Pour les électrons au sein des atomes on parle de nuage d’électrons.

 

Un objet physique de ce genre est en fait représenté par ses propriétés, présentes dans un certain volume. On parle de nature ondulatoire dans ce cas là. En fait une particule n’est rien d’autre qu’une zone de l’espace où se trouvent certaines propriétés propres à la particule. Cette zone est plus ou moins grande selon la masse, la vitesse, la température et la particule elle-même. Mais ces particules n’ont donc pas réellement de dimension mesurable.

 

Les petites particules sont donc impossibles à localiser parfaitement, ce qui nous ramène à l’idée de ces bons vieux grecs anciens : des objets infiniment petit peuvent difficilement donner lieu à des objets aux dimensions palpables. Ce qui donne de la consistance aux objets, leur forme, est dû à la nature ondulatoire des particules élémentaires. Autrement dit c’est leur étalement dans l’espace qui contribue à créer la matière. Heureusement que tout n’est pas ponctuel et immobile, sinon pas d’action et pas de monde.

 

Mais alors comment deux électrons peuvent-ils interagir alors qu’ils sont diffus ? C’est une question de probabilités, difficile de répondre autre chose, je n’ai pas grand chose à vous fournir comme explication alternative.

 

La matière est donc une illusion de notre intuition, et une conséquence des interactions entre les atomes qui forment des liaisons électroniques entre eux, alors même que les électrons ne sont jamais immobiles, ce qui est prodigieux. On entend souvent dire que la matière est constitué de vide : grâce à cette description on comprend que ce n’est pas totalement vrai. En effet entre les électrons et le noyau il n’y a pas de vide puisque les particules sont des ondes diffuses dans une zone de l’espace. Le vrai vide serait une absence totale de particule, de ses propriétés, ce n’est pas le cas au sein de l’atome et des molécules.

 

 

Leave a Comment