Depuis le début des temps, les êtres humains ont cherché à comprendre de quoi l’univers et tout ce qui s’y trouve est constitué. Et tandis que les anciens mages et philosophes concevaient un monde composé de quatre ou cinq éléments – la terre, l’air, l’eau, le feu (et le métal, ou la conscience) – par l’Antiquité classique, les philosophes ont commencé à théoriser que toute matière était en fait composée d’atomes minuscules, invisibles et indivisibles.

Depuis lors, les scientifiques se sont engagés dans un processus de découverte continue de l’atome, dans l’espoir de découvrir sa véritable nature et sa composition., Au 20e siècle, notre compréhension s’est affinée au point que nous avons pu en construire un modèle précis. Et au cours de la dernière décennie, notre compréhension a encore progressé, au point que nous en sommes venus à confirmer l’existence de presque toutes ses parties théorisées.

aujourd’Hui, la recherche atomique est concentré sur l’étude de la structure et la fonction de la matière au niveau subatomique. Cela ne consiste pas seulement à identifier toutes les particules subatomiques qui sont censées constituer un atome, mais à étudier les forces qui les régissent., Ceux-ci comprennent des forces nucléaires fortes, des forces nucléaires faibles, l’électromagnétisme et la gravité. Voici une ventilation de tout ce que nous avons appris sur l’atome jusqu’à présent

Structure de l’atome:

notre modèle actuel de l’atome peut être décomposé en trois parties constituantes – protons, neutrons et électrons. Chacune de ces parties a une charge associée, les protons portant une charge positive, les électrons ayant une charge négative et les neutrons ne possédant pas de charge nette., Conformément au Modèle Standard de la physique des particules, les protons et les neutrons constituent le noyau de l’atome, tandis que les électrons l’orbitent dans un « nuage”.

Les électrons d’un atome sont attirés par les protons du noyau par la force électromagnétique. Les électrons peuvent sortir de leur orbite, mais seulement en réponse à une source d’énergie externe appliquée., Plus l’orbite de l’électron est proche du noyau, plus la force d’attraction est grande; par conséquent, plus la force externe nécessaire pour provoquer la fuite d’un électron est forte.

Les électrons orbitent autour du noyau sur plusieurs orbites, chacune correspondant à un niveau d’énergie particulier de l’électron. L’électron peut changer son état à un niveau d’énergie plus élevé en absorbant un photon avec suffisamment d’énergie pour le stimuler dans le nouvel état quantique. De même, un électron dans un État d’énergie supérieure peut tomber à un État d’énergie inférieure tout en rayonnant l’énergie excédentaire sous forme de photon.,

les Atomes sont électriquement neutres, s’ils ont un nombre égal de protons et d’électrons. Les atomes qui ont un déficit ou un excédent d’électrons sont appelés ions. Les électrons les plus éloignés du noyau peuvent être transférés à d’autres atomes proches ou partagés entre atomes. Par ce mécanisme, les atomes sont capables de se lier dans des molécules et d’autres types de composés chimiques.

Ces trois particules subatomiques sont des Fermions, une classe de particules associées à la matière qui est élémentaire (électrons) ou composite (protons et neutrons) dans la nature., Cela signifie que les électrons n’ont pas de structure interne, alors que les protons et les neutrons sont constitués d’autres particules subatomiques. appelé quarks. Il existe deux types de quarks dans les atomes, qui ont une charge électrique fractionnaire.

les Protons sont composés de deux quarks « up” (chacun avec une charge de +2/3) et d’un quark « down” (-1/3), tandis que les neutrons sont constitués d’un quark up et de deux quarks down., Cette distinction explique la différence de charge entre les deux particules, qui aboutit à une charge de +1 et 0 respectivement, tandis que les électrons ont une charge de -1.

d’autres particules subatomiques comprennent les Leptons, qui se combinent avec les Fermions pour former les blocs constitutifs de la matière. Il y a six leptons dans le modèle atomique actuel: les particules d’électrons, de muons et de tau, et leurs neutrinos associés., Les différentes variétés de particules de Lepton, communément appelées « saveurs », sont différenciées par leurs tailles et leurs charges, ce qui influe sur le niveau de leurs interactions électromagnétiques.

ensuite, il y a des Bosons de jauge, qui sont connus comme « porteurs de force” car ils médient les forces physiques. Par exemple, les gluons sont responsables de la force nucléaire forte qui maintient les quarks ensemble tandis que les bosons W et Z (encore hypothétiques) sont considérés comme responsables de la force nucléaire faible derrière l’électromagnétisme., Les Photons sont la particule élémentaire qui compose la lumière, tandis que le Boson de Higgs est responsable de donner aux bosons W et Z leur masse.

masse atomique:

la majorité de la masse d’un atome provient des protons et des neutrons qui composent son noyau. Les électrons sont les particules constitutives les moins massives d’un atome, avec une masse de 9,11 x 10-31 kg et une taille trop petite pour être mesurée par les techniques actuelles. Les Protons ont une masse qui est 1,836 fois celle de l’électron, à 1,6726×10-27 kg, tandis que les neutrons sont les plus massifs des trois, à 1.,6929×10-27 kg (1 839 fois la masse de l’électron).

le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau d’un atome (appelé « nucléons”) est appelé le nombre de masse. Par exemple, L’élément carbone-12 est ainsi nommé parce qu’il a un nombre de masse de 12-dérivé de ses 12 nucléons (six protons et six neutrons)., Cependant, les éléments sont également disposés en fonction de leur numéro atomique, qui est le même que le nombre de protons trouvés dans le noyau. Dans ce cas, le carbone a un numéro atomique de 6.

la masse réelle d’un atome au repos est très difficile à mesurer, car même les atomes les plus massifs sont trop légers pour être exprimés en unités conventionnelles. En tant que tel, les scientifiques utilisent souvent l’Unité de masse atomique unifiée (u) – également appelée dalton (Da) – qui est définie comme un douzième de la masse d’un atome neutre libre de carbone-12, qui est d’environ 1,66×10-27 kg.,

les chimistes utilisent également des moles, une unité définie comme une mole de tout élément ayant toujours le même nombre d’atomes (environ 6,022×1023). Ce nombre a été choisi de sorte que, si un élément a une masse atomique de 1 u, une mole d’atomes de cet élément a une masse de près d’un gramme. En raison de la définition de l’Unité de masse atomique unifiée, chaque atome de carbone 12 a une masse atomique d’exactement 12 u, et donc une mole d’atomes de carbone 12 pèse exactement 0,012 kg.

la Désintégration Radioactive:

Tous deux des atomes qui ont le même nombre de protons appartiennent au même élément chimique., Mais les atomes avec un nombre égal de protons peuvent avoir un nombre différent de neutrons, qui sont définis comme étant des isotopes différents du même élément. Ces isotopes sont souvent instables, et tous ceux ayant un numéro atomique supérieur à 82 sont connus pour être radioactifs.

Lorsqu’un élément subit une désintégration, son noyau perd de l’énergie en émettant un rayonnement – qui peut être constitué de particules alpha (atomes d’hélium), de particules bêta (positrons), de rayons gamma (énergie électromagnétique à haute fréquence) et d’électrons de conversion. La vitesse à laquelle un élément instable se désintègre est connue comme sa « demi-vie”, qui est la quantité de temps nécessaire pour que l’élément tombe à la moitié de sa valeur initiale.

la stabilité d’un isotope est affectée par le rapport des protons aux neutrons., Sur les 339 différents types d’éléments présents naturellement sur Terre, 254 (environ 75%) ont été étiquetés comme des « isotopes stables”, c’est – à-dire non sujets à la désintégration. 34 autres éléments radioactifs ont des demi-vies supérieures à 80 millions d’années et existent également depuis le début du système solaire (d’où leur nom d ‘ « éléments primordiaux”).

enfin, on sait que 51 autres éléments à courte durée de vie se produisent naturellement, en tant qu ‘ « éléments filles” (c.-à-d. sous-produits nucléaires) de la désintégration d’autres éléments (comme le radium de l’uranium)., En outre, les éléments radioactifs à courte durée de vie peuvent être le résultat de processus énergétiques naturels sur terre, tels que le bombardement de rayons cosmiques (par exemple, le carbone 14, qui se produit dans notre atmosphère).

Histoire de L’étude:

Les premiers exemples connus de théorie atomique proviennent de la Grèce antique et de l’Inde, où des philosophes tels que Démocrite ont postulé que toute matière était composée d’unités minuscules, indivisibles et indestructibles. Le terme « atome « a été inventé dans la Grèce antique et a donné naissance à l’école de pensée connue sous le nom d ‘”atomisme »., Cependant, cette théorie était plus un concept philosophique qu’un concept scientifique.

ce n’est qu’au 19ème siècle que la théorie des atomes s’est articulée en tant que matière scientifique, avec les premières expériences fondées sur des preuves., Par exemple, au début des années 1800, le scientifique anglais John Dalton a utilisé le concept de l’atome pour expliquer pourquoi les éléments chimiques réagissaient de certaines manières observables et prévisibles.

Dalton a commencé par la question de savoir pourquoi les éléments réagissaient dans des rapports de petits nombres entiers, et a conclu que ces réactions se produisaient dans des multiples de nombres entiers d’unités discrètes—en d’autres termes, des atomes. Grâce à une série d’expériences impliquant des gaz, Dalton a ensuite développé ce qui est connu comme la théorie atomique de Dalton, qui reste l’une des pierres angulaires de la physique et de la chimie modernes.,

la théorie se résume à cinq prémisses: les éléments, dans leur état le plus pur, sont constitués de particules appelées atomes; les atomes d’un élément spécifique sont tous les mêmes, jusqu’au tout dernier atome; les atomes de différents éléments peuvent être séparés par leurs poids atomiques; les atomes d’éléments s’unissent pour former des composés chimiques; les atomes ne peuvent ni être créés ni détruits dans la réaction chimique, seul le groupement change.

à la fin du 19ème siècle, les scientifiques ont commencé à théoriser que l’atome était composé de plus d’une unité fondamentale., Cependant, la plupart des scientifiques ont osé dire que cette unité aurait la taille du plus petit atome connu – l’hydrogène. Et puis en 1897, à travers une série d’expériences utilisant des rayons cathodiques, le physicien J. J. Thompson a annoncé qu’il avait découvert une unité 1000 fois plus petite et 1800 fois plus légère qu’un atome d’hydrogène.

ses expériences ont également montré qu’elles étaient identiques aux particules dégagées par l’effet photoélectrique et par les matières radioactives. Des expériences ultérieures ont révélé que cette particule transportait du courant électrique à travers des fils métalliques et des charges électriques négatives à l’intérieur des atomes. D’où la raison pour laquelle la particule – qui s’appelait à l’origine un « corpuscule” – a ensuite été changée en « électron”, d’après la particule prédite par George Johnstone Stoney en 1874.,

cependant, Thomson a également postulé que les électrons étaient distribués dans tout l’atome, qui était une mer uniforme de charge positive. Cela est devenu connu sous le nom de « modèle de pudding aux prunes”, ce qui serait plus tard prouvé faux. Cela a eu lieu en 1909, lorsque les physiciens Hans Gieger et Ernest Marsden (sous la direction d’Ernest Rutherfod) ont mené leur expérience en utilisant une feuille métallique et des particules alpha.

conformément au modèle atomique de Dalton, ils croyaient que les particules alpha passeraient directement à travers la feuille avec peu de déviation., Cependant, de nombreuses particules ont été déviées à des angles supérieurs à 90°. Pour expliquer cela, Rutherford a proposé que la charge positive de l’atome soit concentrée dans un minuscule noyau au centre.

en 1913, le physicien Niels Bohr a proposé un modèle où les électrons orbitaient autour du noyau, mais ne pouvaient le faire que dans un ensemble fini d’orbites. Il a également proposé que les électrons puissent sauter entre les orbites, mais seulement dans des changements discrets d’énergie correspondant à l’absorption ou au rayonnement d’un photon., Cela a non seulement affiné le modèle proposé par Rutherford, mais a également donné naissance au concept d’atome quantifié, où la matière se comportait en paquets discrets.

le développement du spectromètre de masse – qui utilise un aimant pour plier la trajectoire d’un faisceau d’ions – a permis de mesurer la masse des atomes avec une précision accrue. Le chimiste Francis William Aston a utilisé cet instrument pour montrer que les isotopes avaient des masses différentes., Ceci à son tour a été suivi par le physicien James Chadwick, qui en 1932 a proposé le neutron comme un moyen d’expliquer l’existence des isotopes.

tout au long du début du 20ème siècle, la nature quantique des atomes a été développée davantage. En 1922, les physiciens Allemands Otto Stern et Walther Gerlach ont mené une expérience dans laquelle un faisceau d’atomes d’argent était dirigé à travers un champ magnétique, qui était destiné à diviser le faisceau entre la direction du moment angulaire (ou spin) des atomes.,

connue sous le nom D’expérience de Stern–Gerlach, les résultats étaient que le faisceau se divisait en deux parties, selon que le spin des atomes était orienté vers le haut ou vers le bas. En 1926, le physicien Erwin Schrodinger a utilisé l’idée de particules se comportant comme des ondes pour développer un modèle mathématique qui décrit les électrons comme des formes d’onde tridimensionnelles plutôt que de simples particules.

une conséquence de l’utilisation de formes d’onde pour décrire les particules est qu’il est mathématiquement impossible d’obtenir des valeurs précises pour la position et le moment d’une particule à un moment donné., Cette même année, Werner Heisenberg a formulé ce problème et l’a appelé le « principe d’incertitude”. Selon Heisenberg, pour une mesure précise de position donnée, on ne peut obtenir qu’une plage de valeurs probables pour l’élan, et vice versa.

dans les années 1930, les physiciens découvrent la fission nucléaire, grâce aux expériences D’Otto Hahn, Lise Meitner et Otto Frisch., Les expériences de Hahn consistaient à diriger des neutrons sur des atomes d’uranium dans l’espoir de créer un élément transuranium. Au lieu de cela, le processus a transformé son échantillon d’uranium 92 (Ur92) en deux nouveaux éléments-le baryum (B56) et le krypton (Kr27).

Meitner et Frisch ont vérifié l’expérience et l’ont attribuée à la division des atomes d’uranium pour former deux éléments ayant le même poids atomique total, un processus qui a également libéré une quantité considérable d’énergie en brisant les liaisons atomiques. Dans les années qui ont suivi, des recherches sur la possible militarisation de ce processus ont commencé (c.-à-d., nucléaire) et a conduit à la construction des premières bombes atomiques aux États-Unis par 1945.

dans les années 1950, le développement d’accélérateurs de particules et de détecteurs de particules améliorés a permis aux scientifiques d’étudier les impacts des atomes se déplaçant à haute énergie. À partir de là, le modèle Standard de la physique des particules a été développé, qui a jusqu’à présent expliqué avec succès les propriétés du noyau, l’existence de particules subatomiques théorisées et les forces qui régissent leurs interactions.,

expériences modernes:

Depuis la seconde moitié du 20e siècle, de nombreuses découvertes nouvelles et passionnantes ont été en ce qui concerne la théorie atomique et la mécanique quantique. Par exemple, en 2012, la longue recherche du Boson de Higgs a conduit à une percée où des chercheurs travaillant à L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) en Suisse ont annoncé sa découverte.

Au cours des dernières décennies, les physiciens ont consacré beaucoup de temps et d’énergie au développement d’une théorie unifiée des champs (aka. Grande théorie unificatrice ou théorie de tout). En substance, depuis que le modèle Standard a été proposé pour la première fois, les scientifiques ont cherché à comprendre comment les quatre forces fondamentales de l’univers (gravité, forces nucléaires fortes et faibles et électromagnétisme) fonctionnent ensemble.,

alors que la gravité peut être comprise en utilisant les théories de la relativité D’Einstein, et que les forces nucléaires et l’électromagnétisme peuvent être compris en utilisant la théorie quantique, aucune des théories ne peut expliquer les quatre forces travaillant ensemble. Les tentatives pour résoudre ce problème ont conduit à un certain nombre de théories proposées au fil des ans, allant de la théorie des cordes à la gravité quantique à boucles. À ce jour, aucune de ces théories ont conduit à une percée.,

notre compréhension de l’atome a parcouru un long chemin, des modèles classiques qui le considéraient comme un solide inerte interagissant mécaniquement avec d’autres atomes, aux théories modernes où les atomes sont composés de particules énergétiques qui se comportent de manière imprévisible. Bien que cela ait pris plusieurs milliers d’années, notre connaissance de la structure fondamentale de toute matière a considérablement progressé.

et pourtant, de nombreux mystères restent à résoudre. Avec le temps et les efforts continus, nous pouvons enfin débloquer les derniers secrets de l’atome., Là encore, il se pourrait très bien que toutes les nouvelles découvertes que nous faisons ne fassent que susciter plus de questions – et elles pourraient être encore plus déroutantes que celles qui ont précédé!

Nous avons écrit de nombreux articles sur l’atome à l’Univers aujourd’Hui. Voici un article sur le modèle atomique de John Dalton, le modèle atomique de Neils Bohr, qui était Démocrite? et Combien d’Atomes Dans L’Univers?

Si vous souhaitez plus d’informations sur l’atome, consultez L’Article de la NASA sur L’analyse de petits échantillons, et voici un lien vers L’Article de la NASA sur les atomes, les éléments et les Isotopes.,

Nous avons également enregistré un épisode entier de l’Astronomie Exprimés tout au sujet de l’Atome. Ecoutez ici, l’Épisode 164: l’Intérieur de l’Atome, Épisode 263: la Décroissance Radioactive, et l’Épisode 394: Le Modèle Standard, les Bosons.