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Émission du 15 mars 2019 : L’atome

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Aujourd’hui, vous nous faites voyager dans l’infiniment petit !

Oui : à cette échelle, la matière est constituée d’atomes. La structure d’un atome ressemble un peu à celle d’une pêche, seules diffèrent les dimensions et les proportions. Au centre se trouve le noyau qui, lui, ressemble plutôt à une framboise, agglomérat de particules élémentaires appelées nucléons (étymologiquement « éléments du noyau ») qui peuvent être de deux types : protons et neutrons. Autour du noyau se trouve le nuage électronique, qui est un volume diffus, de forme sphérique mais sans délimitation matérielle, dans lequel d’autres particules élémentaires, appelées électrons, se déplacent à des vitesses dépassant le million de mètres par seconde, un peu comme des abeilles qui virevolteraient autour d’une ruche.

Vous avez parlé à deux reprises de particules élémentaires : de quoi s’agit-il ?

Protons, neutrons et électrons sont appelés particules élémentaires parce ce sont les plus petites entités stables dans les conditions actuelles de notre Univers. Certaines de ces particules peuvent cependant être constituées de particules encore plus petites, appelées quarks, mais celles-ci, si elles furent stables dans la toute première seconde qui a suivi le Bing Bang, ne peuvent plus exister isolément à l’heure actuelle.

Alors, que voit-on à cette échelle ?

Le noyau concentre 99,9 % de la masse d’un atome, la masse des électrons étant négligeable devant celle des nucléons. En revanche, la taille du noyau est ridiculement faible par rapport à celle de l’atome : son rayon est cent mille fois plus petit que celui de l’atome auquel il appartient, si bien que son volume est un million de milliard de fois plus faible que celui de l’atome. Si deux atomes sont en contact, et que l’on représentait leurs noyaux par des oranges, les deux oranges voisines seraient distantes de 10 kilomètres ! Et si l’on empilait la totalité des noyaux de la Terre, ils occuperaient approximativement le volume de la Grande pyramide de Kheops : c’est dire à quel point les noyaux sont denses, puisque la quasi-totalité de la masse de la Terre serait ramassée dans le volume de cette pyramide, mais aussi à quel point la matière est lacunaire, c’est-à-dire constituée presque exclusivement de vide, y compris à l’état solide qui à notre échelle nous semble pourtant bien compact.

Mais s’il n’y a aussi peu de volume occupé dans les atomes, pourquoi ne peut-on passer au travers ?

Etrange effectivement : il est possible de faire passer les doigts de la main gauche entre ceux de la main droite, et de faire se croiser les dents de deux fourchettes, mais il est impossible de traverser une cloison, alors qu’il n’y a franchement pas beaucoup de volume réellement occupé à l’intérieur. En réalité, à cette échelle de l’infiniment petit, le problème n’est pas tant le manque de place, il y en a d’ailleurs peut-être davantage que dans l’infiniment grand, que les forces électromagnétiques répulsives créées par les nuages électroniques des atomes qui empêchent la matière solide de s’interpénétrer. Quand je pose ma main sur la table, j’ai l’impression que les deux sont en contact, mais à l’échelle sub-microscopique, le contact réel n’est pas possible, les particules se repoussant au-delà d’une certaine distance minimale, un peu à la façon de deux aimants.

Tous les atomes ont-ils le même nombre de protons, de neutrons et d’électrons ?

Non. Mendeleïev les a classés en fonction de leur nombre de protons. Le plus petit est l’hydrogène, qui a un proton, zéro neutron et un électron. Puis vient l’hélium (deux protons, deux neutrons et deux électrons), etc. Le carbone le plus courant possède 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons, mais il existe des variantes, appelées isotopes, à 7 ou 8 neutrons (ce dernier étant le fameux carbone 14, radioactif, qui permet de dater les évènements géologiques).

Et à ces atomes, que leur arrive-il ?

Dans certaines circonstances, un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons, pour former un ion, ou bien mettre en commun une partie de ses électrons avec d’autres atomes, pour former une molécule, comme dans le cas de l’eau, de formule H2O, formée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Les réactions chimiques modifient l’organisation des électrons, tandis que les réactions nucléaires vont bien plus profondément au cœur de la matière, puisqu’elles touchent à la structure des noyaux, et mettent en jeu des énergies bien plus importantes.

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