Vulgarisation scientifique - Les atomes et particules

Les atomes :

Nous vivons dans un univers avec des dimensions extravagantes, ici nous allons aborder ce qui le constitue, ce que nous ne pouvons même pas voir au microscope, l'infiniment petit : les atomes et particules subatomiques. La matière est composée de molécules, elles-mêmes composées d'atomes, puis eux-mêmes composés de particules plus petites, appelées particules subatomiques : des particules plus petites que les atomes et composant la matière. Dans un atome, on retrouve les particules suivantes : le neutron (de charge électrique neutre) et le proton (de charge électrique positive), qui représentent le noyau des atomes, et l'électron (de charge électrique négative) autour du noyau. Entre le noyau et les électrons, il y a du vide, et ce vide constitue 99.9% de l'atome.

Les protons et neutrons ne sont pas que des particules subatomiques mais aussi des "particules composites", c’est-à-dire des particules qui sont composées de particules encore plus petites, en l’occurrence, les quarks, qui ont 6 "saveurs" différentes : le neutron est composé de 2 quarks down et d'1 quark up, associés à des gluons (qui les fait tenir ensemble), le proton, lui, est composé de 2 quarks up et d'1 quark down, eux aussi associés à des gluons. Les quarks up et down, ainsi que l’électron, sont des particules élémentaires, c’est-à-dire qu’elles ne sont composées de rien de plus petit, contrairement aux protons et aux neutrons.

Les particules composées de 3 quarks sont appelées "baryons".

Les quarks sont responsables de la charge électrique d'un baryon. Dans le cas du proton, on a le triplet : uud (2 up, 1 down), et dans le cas du neutron on a le triplet udd. L'unité de charge du quark up est :

Et celle du quark down :

On en déduit ainsi que la charge p du proton est :

Et la charge n du neutron est donc :

L'image ci-dessous est la représentation conventionnelle de l'atome, mais les atomes ne ressemblent pas à ça dans la réalité, et n'ont bien sûr pas de couleurs (cf. Physique quantique).

La masse des atomes :

Chaque atome ou particule possède une masse, les scientifiques utilisent le nombre de masse A et le numéro atomique Z, A correspond au nombre de nucléons d’un atome, c’est-à-dire la somme des protons et des neutrons. Le numéro atomique Z correspond au nombre de charges positives dans un atome, on parle donc du nombre de protons (le neutron a une charge électrique neutre). On peut déduire facilement le nombre d'électrons dans un atome grâce à son numéro atomique Z car il doit toujours y avoir le même nombre de protons et d'électrons, si ce n'est pas le cas, on parle alors d'ions car l'atome en question est chargé électriquement. Pour déduire le nombre de neutrons, on fait la soustraction A - Z.

L’atome le plus léger de l’Univers est l'hydrogène, qui ne possède qu’un proton et un électron, avec un numéro atomique Z de 1 et un nombre de masse A de 1 aussi.

Le photon, la particule élémentaire qui compose la lumière, ne possède pas de masse, elle peut donc voyager à une vitesse incroyable de 300 000 km/s (la vitesse de la lumière). Les particules obtiennent leur masse grâce aux bosons de Higgs, du champ de Higgs, qui est un champ qui remplit l’Univers en donnant de la masse aux particules. En effet, la masse n'est pas une propriété intrinsèque d'un élément fondamental, mais plutôt le résultat du frottement avec le tissu même de l'espace. On peut imaginer l'espace, le vide, comme un champ de neige, et les particules des skieurs. Certaines particules ont des skis parfaits qui n'engendrent aucun frottement avec la neige (c'est le cas du photon), mais d'autres ont des skis qui causent plus de frottements, et ainsi une moindre une vitesse, comme si leur masse les ralentissait.

Lorsque plusieurs atomes se lient, les molécules :

Tout atome a une charge électrique neutre de base car si la totalité des charges électriques positives est égale à la totalité des charges négatives dans un atome, l'atome en question n'est pas chargé électriquement et n’est pas affecté par la répulsion électrostatique.

En bref, les électrons d'un atome sont divisés en différentes couches autour du noyau. Celle qui nous intéresse c'est la couche la plus éloignée du noyau, la dernière, appelée "couche de valence", qui lui confère ses propriétés chimiques. Par défaut, les couches contiendront le nombre d'électrons nécessaires pour neutraliser toute charge électrique (donc il y aura le nombre d'électrons nécessaires pour rendre l'atome neutre). Cependant, cette dernière couche peut parfois avoir de la place pour plus d'électrons que ça (la couche n'est pas pleine). Par exemple, le sodium (Na) a un seul électron dans sa couche de valence (comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessous), mais peut en accueillir 8 au total. Il y a ainsi deux possibilités : soit l'atome va recevoir/envoyer un électron vers un autre atome (ce qui aura pour effet de créer une attraction électrostatique entre les deux) et ainsi former une molécule par liaison ionique, soit l'atome va partager un ou plusieurs électrons avec un autre (on pourrait dire que ces électrons jouent dans deux atomes différents), formant également une molécule par liaison covalente (plus complexe et offrant plus de possibilités chimiques).

Les atomes ont tendance à tout faire pour que la dernière couche d'électrons soit remplie. Dans le cas du sodium (qui en a qu'un seul dans sa couche de valence), il aura tendance à se débarrasser de son électron, lui permettant ainsi d'avoir sa dernière couche pleine (il est plus facile de retirer la couche plutôt que de la remplir, dans son cas).

Ce déplacement d'électrons crée une grande quantité d'énergie, qui se manifeste soit par de la lumière, de la chaleur ou du bruit. Les atomes pour lesquels il est relativement simple d'avoir la dernière couche d'électrons remplie sont rarement trouvés seuls dans la nature. Ils se lient facilement et il est difficile de les séparer. Enfin, puisque leurs liaisons créent de l'énergie, ils sont dits "réactifs". Les atomes avec une couche de valence pleine sont ainsi peu réactifs (c'est le cas du néon).

Avez-vous remarqué une petite incohérence ? Si les particules de même charge se repoussent, alors pourquoi les protons au sein même de l'atome semblent si bien attachés ? La responsable est l'interaction nucléaire forte.

Classification des particules

Les atomes et les particules sont classés. Commençons par les fermions : toutes les particules de matière sont des fermions, comme les neutrons, les protons,… avec un spin demi-entier (le spin en physique quantique est une des propriétés internes des particules, au même titre que la masse ou la charge électrique,…), ensuite on a les bosons, qui regroupent les particules d’interactions : les photons, les gluons, les bosons W et Z, et les bosons de Higgs.

Classification des éléments

Puisqu'il s'agit du nombre de protons qui définit de quel élément il s'agit, on peut prévoir l'existence d'autres éléments, voire même en créer de nouveaux dans des accélérateurs de particules. Il existe pour cela un tableau, le tableau périodique des éléments, aussi appelé tableau de Mendeleïev.

Le tableau est organisé de façon à ce que les colonnes de même couleur aient des propriétés chimiques similaires (ayant le nombre d'électrons en coquille externe), même si la chimie est trop complexe pour satisfaire une telle règle. On notera que tous les éléments ne sont pas rangés dans le bon ordre (on passe de 56 à 71 entre le Barium et le Lutécium par exemple) car il serait difficile de garder un beau tableau uniforme sinon.

• La colonne la plus à gauche représente les éléments alcalins, des métaux mous qui explosent au contact de l'eau, tandis que les éléments juste à sa droite sont des éléments plus civilisés, qui réagissent au contact de l'eau mais n'explosent pas (les métaux alcalino-terreux).
• Le grand bloc central énumère les métaux plus communs tels que l'or, le fer, le platine, etc. Ils sont appelés "métaux de transition".
• Le triangle (jaune/vert/violet sur l'image ci-dessus) est une exception à la règle des colonnes évoquée précédemment. Le triangle inférieur gauche (en jaune) est celui des "métaux ordinaires". Le triangle supérieur droit est celui des "non métaux". La barrière entre les deux triangles énumère les métalloïdes. Leur particularité étant qu'ils conduisent l'électricité, mais pas très bien.
• L'avant-dernière colonne est celle des halogènes (des éléments nocifs et réactifs sous leur forme pur).
• La toute dernière colonne est celle des gaz nobles (ou gaz rares). Ils ne sont pas rares du tout, mais sont renommés de la sorte car ils ne forment quasiment jamais de molécules entre eux ou avec la populace qui leur est inférieure. Cela dit, ils sont indispensables par leur nature inerte : ils ont utilisé pour protéger les éléments réactifs. À titre d'exemple, quand on achète du sodium chez un fournisseur, le produit est contenu dans de l'argon, et heureusement car le sodium exploserait si on sortait du magasin sous la pluie.
• Les deux lignes du bas sont exclues pour que le tableau puisse conserver une forme simple et compréhensible. Ces éléments sont connus sous le nom de "terres rares". La première ligne de ce groupe (les lanthanides) devrait se situer entre le Barium (56) et le Lutécium (71). La seconde ligne, les actinides, devrait se situer entre le Radium (88) et le Lawrencium (103). Les actinides sont tous très radioactifs, le plus connu étant l'Uranium (92).

Quelques éléments n'ont pas encore reçu de nom, c'est le cas pour l'élément à 118 protons par exemple. Les éléments transuraniens, plus lourds que l'uranium (92), sont souvent créés en laboratoire, instables, radioactifs, et renommé selon un scientifique célèbre, ou une institution.