Tout ce qui nous entoure – l'air que nous respirons, l'eau que nous buvons, le stylo dans ta trousse – est composé d'atomes. Mais c'est quoi, un atome, exactement ? Et comment les chimistes ont-ils réussi à percer ses secrets, alors qu'il est bien trop petit pour être vu à l'œil nu ?
L'atome : un monde dans le monde
Un atome mesure environ 0,1 nanomètre de diamètre – c'est-à-dire un dix-millionième de millimètre. Si tu alignais un million d'atomes, tu obtendrais à peine 0,1 mm. Pourtant, à l'intérieur de cet espace infinitésimal se trouve toute la complexité de la matière.
L'image classique qu'on se fait de l'atome est celle d'un noyau central, positif, autour duquel tournent des électrons négatifs – comme un mini système solaire. Cette image vient du modèle de Rutherford, proposé en 1911 après une expérience célèbre : Rutherford a tiré des particules alpha (des noyaux d'hélium) sur une feuille d'or très fine, et a observé que la plupart passaient droit, mais que certaines rebondissaient. Il en a déduit que la matière est surtout faite de vide, avec un noyau tiny mais dense au centre.
Schéma de l'expérience de Rutherford : la plupart des particules traversent la feuille d'or, mais quelques-unes rebondissent
Les trois particules fondamentles
Chaque atome est composé de trois types de particules :
Les protons portent une charge électrique positive. Ils se trouvent dans le noyau et déterminent de quel élément il s'agit. Le nombre de protons s'appelle le numéro atomique Z. Un atome avec 6 protons est du carbone, avec 8 protons c'est de l'oxygène. C'est aussi simple que ça : Z = identité de l'élément.
Les neutrons n'ont pas de charge électrique – ils sont neutres. Ils se trouvent aussi dans le noyau, aux côtés des protons. Ensemble, protons et neutrons forment la quasi-totalité de la masse de l'atome. Le nombre de neutrons peut varier : on appelle cela les isotopes.
Les électrons portent une charge négative. Ils tournent autour du noyau dans des orbitales, à des distances très variées. Contrairement aux protons, les électrons peuvent être perdus ou gagnés – c'est ce qui produit des ions. Un atome qui perd un électron devient un ion positif (cation), un atome qui en gagne devient un ion négatif (anion).
Masse et taille : des contrastes vertigineux
Voici un chiffre qui donne le vertige : le noyau d'un atome est environ 100 000 fois plus petit que l'atome lui-même, mais il contient 99,95% de sa masse. Autrement dit, presque toute la matière est concentrée dans un espace minuscule, et le reste – les électrons – ne pèse presque rien. L'atome est donc surtout du vide. Si tu supprimais tout ce vide, l'humanité tiendrait dans le volume d'un dé à jouer.
C'est cette structure qui explique pourquoi la matière peut être solide, liquide ou gazeuse : c'est la façon dont les atomes s'organisent et interagissent entre eux qui détermine l'état physique, pas la nature des atomes eux-mêmes.
Le nombre de masse et les isotopes
Le nombre de masse A est la somme des protons et des neutrons : A = Z + N. Deux atomes du même élément (même Z) peuvent avoir des nombres de neutrons différents. Ce sont des isotopes. Par exemple, le carbone-12 (6 protons, 6 neutrons) et le carbone-14 (6 protons, 8 neutrons) sont deux isotopes du carbone. Le carbone-14 est radioactif et sert à dater les organismes anciens – les archéologues l'utilisent pour déterminer l'âge de vestiges.