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    La puissance des atomes  
    noAuteur - Comment ça marche, no 27 - 2012-09-01      
    Les atomes sont les unités de construction de la matière.
Avec une collection suffisamment importante tout peut se construire, de la Vénus de Milo à Vénus la planète…
 
    Tout dans l'univers est constitué d'innombrables atomes reliés les uns aux autres comme le seraient les pièces d'un jeu de construction. Mais plutôt que de s'assembler par friction, les atomes se joignent au moyen d'une charge électrique. Au centre de chaque atome se trouve un noyau, une grappe composée de particules à charge électrique positive, appelées protons et de particules sans charge appelées neutrons. Ce petit noyau est entouré de particules à charge négative encore plus petites, appelées électrons. Gé¬néralement, le nombre de protons égale celui des électrons. Leur charge opposée les amène à s'attirer mutuellement et c'est ce qui "cimente" l'atome. Équilibré, ce dernier est électriquement neutre. Toutefois, les électrons sont de nature capricieuse : non seulement ils sont attirés par leur propre noyau, mais ils leur faussent parfois compagnie pour aller voir ce qui se passe du côté des noyaux d'autres atomes. Cette attraction inter-atomes génère alors une sorte de "colle électronique", qui relie plusieurs atomes entre eux.  
    Les facteurs permettant une liaison avec un atome - que sont le nombre et l'arrangement des protons et électrons de l'atome - sont propres à chaque élément du tableau périodique. Les électrons entourent le noyau à différents niveaux d'énergie appelés couches orbitales. La couche la plus proche du noyau a le niveau d'énergie le plus faible et la plus éloignée, le niveau le plus élevé. Chaque couche contient un nombre limité d'électrons. La couche du plus faible niveau d'énergie ne contient pas plus de deux électrons tandis que la suivante retient jusqu'à huit électrons. Pour parvenir à la stabilité, les électrons remplissent les couches une à une de la plus interne vers la plus externe.  
    Le facteur déterminant d'une liaison chimique est le nombre de vacances (vides) dans l'orbitale ultrapériphérique - appelée couche de valence - d'un atome. Si la bonne combinaison de vacances est présente, des électrons peuvent passer d'un atome à l'autre, deux atomes peuvent partager un électron, ou plusieurs atomes peuvent partager un nuage d'électrons. Les atomes seront d'autant plus stables que leur couche de valence est remplie; les électrons jouent donc le rôle de liant de façon à compléter une couche de valence.  
   

Top 5 des faits, almanach de l’atome

 
1.  

Ultra dense

 
    Le noyau au cœur de chaque atome représente 99% de sa masse mais seulement un trillonième de son volume total.  
2.  

Électrons nains

 
    A seulement 1/1’836e la taille d’un proton ou d’un neutron, les électrons contribuent peu à la masse d’un atome mais en sont le composant le plus actif car responsable des liaisons.  
3.  

Lacune

 
    Plus de 99,9% du volume de l’atome est de l’espace vide. Si le noyau de l’atome était de la taille d’un ballon de football, ses électrons se trouveraient à des kilomètres de lui.  
4.  

Saut quantique

 
    Lorsque les électrons changent d’orbitale, ils ne se déplacent pas, ils disparaissent d’une orbitale pour apparaître instantanément dans l’autre.  
5.  

La force forte

 
    Les noyaux atomiques sont maintenus entre eux par l’interaction forte, qui est 1'038 fois plus forte que la gravitation mais qui n’opère qu’à l’échelle minuscule d’un noyau.  
   

 

 
    Lorsque plusieurs atomes se lient entre eux, ils forment des molécules. Les molécules peuvent être constituées de plusieurs atomes identiques, c'est-à-dire d'un même élément, ou d'atomes de plusieurs éléments (une molécule multi-éléments est appelée un composé). L'agglomérat de molécules donne cette incroyable variété de matériaux que nous connaissons et qui fait partie de notre quotidien. C'est la structure des molécules individuelles ainsi que la façon dont elles s'ajustent qui vont octroyer à chaque matériau forme et attributs.  
   

"Les facteurs permettant une liaison avec un atome sont propres à chaque élément du tableau périodique"

 
    De façon générale, il existe trois états d'organisation : gazeux, liquide et solide. Dans les gaz, les molécules se déplacent librement dans les liquides, elles s'articulent de façon lâche, glissant les unes sur les autres. Dans les solides, elles sont disposées selon des structures plus rigides et ne bougent pas aussi librement. Même limitées à un ensemble d'atomes identiques, les modifications structurelles peuvent occasionner des différences énormes. Comparons le diamant et le graphite. Tous deux sont des arrangements d'atomes de carbone, mais vous ne verrez personne dépenser une fortune pour un crayon ! Dans un diamant, des liaisons covalentes fortes relient les atomes en une trame serrée. Le résultat donne un des matériaux les plus durs et résistants au monde. Dans un graphite, les atomes de carbone sont disposés en couches, avec des liaisons si faibles entre les couches que toucher une mine de crayon est suffisant pour la casser. La capacité à combiner et organiser les atomes selon différentes structures offre des possibilités quasiment illimitées. Les scientifiques et ingénieurs ont déjà développé des milliers de nouveaux matériaux et nous sommes loin d'avoir épuisé toutes les 4 combinaisons possibles. Les réactions chimiques impliquées dans la recombinaison des atomes s'avèrent utiles en elles-mêmes. Par exemple, le feu est le résultat d'une réaction chimique entre les composés chimiques du bois (ou de quelque autre combustible) et l'oxygène de l'atmosphère, déclenchée par une chaleur intense. Que ce soit pour créer de nouveaux matériaux ou produire une énergie utilisable, la manipulation des atomes a toujours été au cœur de la technologie humaine, avant même que des indices percent sur l'existence des atomes.  
    Ces dernières années, les scientifiques ont réussi à créer de nouveaux atomes et à composer vingt éléments qui ne sont pas observés dans la nature, en combinant des noyaux existants avec de nouveaux noyaux extra-lourds. Ces atomes artificiels se désagrègent rapidement, mais leur version stable n'est peut-être pas si lointaine. Au 20e siècle, les humains ont pour la première fois libéré l'énergie interne des noyaux atomiques, ce qui a mené aux centrales nucléaires et aux bombes atomiques.  
    Aujourd'hui, les physiciens étudient des composants plus petits encore : les quarks, les leptons et les bosons qui composent les atomes. À ce niveau encore empreint de mystères, de nouvelles découvertes pourraient redéfinir fondamentalement notre compréhension de l'univers.  
   

Anatomie d'un atome


Quelles sont les parties fondamentales d'un atome ?
 
Protons   Ce sort des particules chargées positivement existant dans le noyau. Chaque élément est défini par son nombre de protons.  
Neutrons   Ces particules sans charge électrique donnent aux atomes leur masse.  
Noyau   Au centre de l'atome se trouve le noyau, constitué de protons et de neutrons.  
Électrons   Les électrons sont de très petites particules chargées négativement qui se déplacent rapidement autour du noyau.  
Couches orbitales   Les électrons existent à différents niveaux d’énergie appelés couches orbitales. Chaque couche comporte des vacances (vides) pouvant accueillir un nombre limité d’électrons.  
   
 
   

"La capacité à combiner et organiser les atomes selon différentes structures offre des possibilités quasiment illimitées"

 
   

Modèle atomique

 
    Les atomes ne suivent pas les règles de la physique newtonienne, il est en fait impossible d'observer leur comportement en temps réel. Les scientifiques ne peuvent donc que créer des modèles théoriques qui nous donnent une compréhension conceptuelle générale de ce qui se passe. Voici quelques-uns des modèles qui ont considérablement fait progresser notre compréhension du monde atomique…  
1904   Le "plum pudding" de Thomson  
    Le physicien anglais J.J. Thomson découvrit l'électron en 1897, démontrant pour la première fois qu’il existait de plus petits éléments que les atomes. Il proposa un modèle atomique constitué d'une "soupe" positive dans laquelle baignent des électrons négatifs, comme des raisins dans un pudding.  
1911   Le modèle de Rutherford  
    Le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford réfuta le modèle de Thomson en démontrant l'existence d’un noyau atomique chargé positivement. Il supposa que l’atome est une espère de système solaire miniature avec un noyau relativement massif en son centre, comme le Soleil, autour duquel tournent les électrons comme autant de petites planètes.  
1913   Le modèle de Bohr  
    En mécanique classique, toute particule chargée se déplaçant en courbe émet un 'rayonnement. Avec le modèle de Rutherford, les électrons perdaient alors leur énergie et s'effondreraient dans le noyau. Le physicien danois Niels Bohr proposa un modèle où les électrons changent d'orbite. Les électrons entourent le noyau en couches d'énergie fixe (couches orbiatles) et n'émettent un rayonnement que lorsqu’ils Iornqulls "sautent" d'une orbite à une autre.  
   

Que sont les éléments et les composés ?

 
    Un élément est une substance constituée d'un seul type d'atome. Chaque élément est défini par le nombre de protons de l'atome. Par exemple, l'atome d'hydrogène ne possède qu'un seul proton, tandis que l'atome d'or en a 79. Les atomes d'éléments différents peuvent se réunir pour former un composé chimique. Les liens qui maintiennent les atomes ensemble résultent de divers mouvements d'électrons. En voici deux exemples :  
1.   Liaison ionique  
Liaison ionique   Quand un ou plusieurs électrons "sautent" d’un atome à un autre, ces atomes se chargent électriquement et deviennent des ions.  
Couche de valence   Les électrons se déplacent au sein de niveaux d’énergie appelés couches. Chaque couche accueille un certain nombre d’électrons. Le nombre d’ouvertures dans la couche périphérique (la couche de valence) détermine le nombre de liaisons que peut former un atome.  
Saut d’électron   Pour être stable, un atome doit avoir sa couche de valence remplie. L’atome de sodium donne donc son unique électron à l’atome de chlore.  
   

Avant

 
Atome de sodium   (à gauche) La couche de valence de l’atome de sodium ne possède qu’un électron, elle laisse sept vacances (places vides).  
Atome de chlore   (à droite) L’atome de chlore possède sept électrons externes. Il lui en manque un pour être stable.  
   

Après

 
Cation de sodium   (en haut) L’atome de sodium a maintenant 10 électrons et 11 protons, ce qui en fait un cation – un atome avec une charge positive.  
Anion chlorure   (en bas) L’atome de chlore a 18 électrons et 17 protons, ce qui en fait un atome négatif (anion). L’ion sodium et l’ion chlorure étant de charges opposées, ils se lient pour former le composé chlorure de sodium, ou sel de cuisine.  
2.   Liaison covalente  
Liaison covalente   Les atomes peuvent aussi former des composés en partageant un ou plusieurs électrons dans des liaisons covalentes.  
Atome d’azote   L’atome d’azote a cinq électrons externes. Il lui en manque trois pour être stable.  
Paires d’électrons   Trois atomes d’hydrogène partagent avec l’atome d’azote leurs électrons, formant ainsi de l’ammoniac.  
Atomes d’hydrogène   Chacun de ces trois atomes d’hydrogène possède un seul électron et n’en nécessite qu’un seul autre pour être stable.  
   

 
   

Atomes et informatique quantique

 
    Une des nombreuses curiosités qui tapissent le domaine du subatomique veut que les particules subatomiques n'aient pas d'état défini jusqu'à ce qu'elles soient observées.  
    Pour situer un proton, électron ou autre particule subatomique, les physiciens vont plutôt parler d'un nuage de probabilités, indiquant tous ses états possibles.  
    Le phénomène étrange mais réel de l'effet tunnel permet d'illustrer cela. Lorsqu'une particule subatomique rencontre un obstacle, il existe une probabilité qu'elle passe de l'autre côté. Parfois elle subit totalement cet effet tunnel et se retrouve effectivement de l'autre côté.  
    Cette ambiguïté pourrait être définie autrement : une particule subatomique se trouverait simultanément en plusieurs endroits - ce qui s'oppose au bit d'ordinateur qui à tout moment à la valeur 1 ou 0. L'idée fondamentale de l'informatique quantique est d'employer chacun des nombreux états "superposés" pour exécuter une partie d'un calcul, afin de faire le calcul complet beaucoup plus rapidement qu'un ordinateur classique.  
    Le domaine en est à ses débuts, ses implémentations limitées, mais il pourrait révolutionner l'informatique dans un avenir proche.  
   

Qu'est-ce que le boson de Higgs ?

 
    Le boson de Higgs est une particule qui fut proposée par le physicien anglais Peter Higgs comme partie du Modèle standard des particules et des forces. Le Modèle standard est une théorie qui décrit comment s'articulent les 12 particules fondamentales et trois des quatre forces connues de l'univers (il n'est pas tenu compte de la gravitation).  
    Selon cette théorie, aucune particule fondamentale n'avait de masse immédiatement après le Big Bang; elles en ont gagné plus tard, du fait de l'interaction avec un champ d'énergie invisible appelé champ de Higgs dont l'excitation se manifeste par une particule : le fameux boson de Higgs. Or personne n'avait pu observer ce chaînon manquant qui aurait corroboré la théorie.  
   

 
    Le 4 juillet dernier, le CERN a enfin annoncé l'événement tant attendu : les détecteurs du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) auraient trouvé un boson de Higgs. Les conséquences à long terme ne sont pas encore clairement établies…  
       
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