Les atomes sont les unités de base de la matière et la structure qui définit les éléments. Le terme "atome" vient du mot grec pour indivisible, car on pensait autrefois que les atomes étaient les plus petites choses de l'univers et ne pouvaient pas être divisés. Nous savons maintenant que les atomes sont constitués de trois particules: les protons, les neutrons et les électrons - qui sont composés de particules encore plus petites, comme les quarks.
Les atomes ont été créés après le Big Bang il y a 13,7 milliards d'années. À mesure que le nouvel univers chaud et dense se refroidissait, les conditions devinrent appropriées pour la formation de quarks et d'électrons. Les quarks se sont réunis pour former des protons et des neutrons, et ces particules se sont combinées en noyaux. Tout cela a eu lieu dans les premières minutes de l'existence de l'univers, selon le CERN.
Il a fallu 380 000 ans pour que l'univers se refroidisse suffisamment pour ralentir les électrons afin que les noyaux puissent les capturer pour former les premiers atomes. Les premiers atomes étaient principalement l'hydrogène et l'hélium, qui sont toujours les éléments les plus abondants de l'univers, selon Jefferson Lab. La gravité a finalement causé la formation de nuages de gaz et la formation d'étoiles, et des atomes plus lourds ont été (et sont toujours) créés à l'intérieur des étoiles et envoyés dans tout l'univers lorsque l'étoile a explosé (supernova).
Particules atomiques
Les protons et les neutrons sont plus lourds que les électrons et résident dans le noyau au centre de l'atome. Les électrons sont extrêmement légers et existent dans un nuage en orbite autour du noyau. Le nuage d'électrons a un rayon 10 000 fois plus grand que le noyau, selon le Los Alamos National Laboratory.
Les protons et les neutrons ont approximativement la même masse. Cependant, un proton est environ 1 835 fois plus massif qu'un électron. Les atomes ont toujours un nombre égal de protons et d'électrons, et le nombre de protons et de neutrons est généralement le même également. L'ajout d'un proton à un atome crée un nouvel élément, tandis que l'ajout d'un neutron crée un isotope, ou une version plus lourde, de cet atome.
Noyau
Le noyau a été découvert en 1911 par Ernest Rutherford, un physicien néo-zélandais. En 1920, Rutherford a proposé le nom de proton pour les particules chargées positivement de l'atome. Il a également émis l'hypothèse qu'il y avait une particule neutre dans le noyau, que James Chadwick, un physicien britannique et étudiant de Rutherford, a pu confirmer en 1932.
Selon Chemistry LibreTexts, presque toute la masse d'un atome réside dans son noyau. Les protons et les neutrons qui composent le noyau ont approximativement la même masse (le proton est légèrement moins) et ont le même moment angulaire, ou spin.
Le noyau est maintenu par la force forte, l'une des quatre forces fondamentales de la nature. Cette force entre les protons et les neutrons surmonte la force électrique répulsive qui, sinon, écarterait les protons, selon les règles de l'électricité. Certains noyaux atomiques sont instables car la force de liaison varie pour différents atomes en fonction de la taille du noyau. Ces atomes se désintégreront ensuite en d'autres éléments, comme le carbone 14 se désintégrant en azote 14.
Protons
Les protons sont des particules chargées positivement présentes dans les noyaux atomiques. Rutherford les a découvertes lors d'expériences avec des tubes cathodiques qui ont été menées entre 1911 et 1919. Les protons sont à 99,86% aussi massifs que les neutrons.
Le nombre de protons dans un atome est unique à chaque élément. Par exemple, les atomes de carbone ont six protons, les atomes d'hydrogène en ont un et les atomes d'oxygène en ont huit. Le nombre de protons dans un atome est appelé numéro atomique de cet élément. Le nombre de protons détermine également le comportement chimique de l'élément. Les éléments sont classés dans le tableau périodique des éléments par ordre croissant de numéro atomique.
Trois quarks composent chaque proton - deux quarks "up" (chacun avec une charge positive des deux tiers) et un quark "down" (avec une charge négative d'un tiers) - et ils sont maintenus ensemble par d'autres particules subatomiques appelées gluons, qui sont sans masse.
Electrons
Les électrons sont minuscules par rapport aux protons et aux neutrons, plus de 1 800 fois plus petits qu'un proton ou un neutron. Les électrons sont environ 0,054% aussi massifs que les neutrons, selon Jefferson Lab.
Joseph John (J.J.) Thomson, un physicien britannique, a découvert l'électron en 1897, selon le Science History Institute. Connus à l'origine sous le nom de «corpuscules», les électrons ont une charge négative et sont électriquement attirés par les protons chargés positivement. Les électrons entourent le noyau atomique dans des voies appelées orbitales, une idée qui a été avancée par Erwin Schrödinger, un physicien autrichien, dans les années 1920. Aujourd'hui, ce modèle est connu sous le nom de modèle quantique ou modèle de nuage d'électrons. Les orbitales internes entourant l'atome sont sphériques mais les orbitales externes sont beaucoup plus compliquées.
La configuration électronique d'un atome fait référence à l'emplacement des électrons dans un atome typique. En utilisant la configuration électronique et les principes de la physique, les chimistes peuvent prédire les propriétés d'un atome, telles que la stabilité, le point d'ébullition et la conductivité, selon le Los Alamos National Laboratory.
Neutrons
L'existence du neutron a été théorisée par Rutherford en 1920 et découverte par Chadwick en 1932, selon l'American Physical Society. Des neutrons ont été trouvés au cours d'expériences lorsque des atomes ont été projetés sur une mince feuille de béryllium. Des particules subatomiques sans charge ont été libérées - le neutron.
Les neutrons sont des particules non chargées présentes dans tous les noyaux atomiques (à l'exception de l'hydrogène). La masse d'un neutron est légèrement plus grande que celle d'un proton. Comme les protons, les neutrons sont également constitués de quarks - un quark "up" (avec une charge positive de 2/3) et deux quarks "down" (chacun avec une charge négative d'un tiers).
Histoire de l'atome
La théorie de l'atome remonte au moins à 440 av. à Démocrite, un scientifique et philosophe grec. Selon Andrew G. Van Melsen, auteur de "From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom", Démocrite a probablement construit sa théorie des atomes sur le travail des philosophes du passé (Duquesne University Press, 1952).
L'explication de Démocrite sur l'atome commence par une pierre. Une pierre coupée en deux donne deux moitiés de la même pierre. Si la pierre devait être coupée en continu, à un moment donné, il existerait un morceau de pierre suffisamment petit pour ne plus pouvoir être coupé. Le terme "atome" vient du mot grec pour indivisible, dont Democritus a conclu qu'il doit être le point où un être (n'importe quelle forme de matière) ne peut plus être divisé.
Son explication comprenait les idées selon lesquelles les atomes existent séparément les uns des autres, qu'il existe une quantité infinie d'atomes, que les atomes sont capables de se déplacer, qu'ils peuvent se combiner pour créer de la matière mais ne fusionnent pas pour devenir un nouvel atome et qu'ils ne peut pas être divisé, selon Universe Today. Cependant, parce que la plupart des philosophes de l'époque - en particulier le très influent Aristote - croyaient que toute la matière était créée à partir de la terre, de l'air, du feu et de l'eau, la théorie atomique de Démocrite a été mise de côté.
John Dalton, un chimiste britannique, s'est appuyé sur les idées de Démocrite en 1803 lorsqu'il a présenté sa propre théorie atomique, selon le département de chimie de l'Université Purdue. La théorie de Dalton incluait plusieurs idées de Démocrite, telles que les atomes sont indivisibles et indestructibles et que différents atomes se forment ensemble pour créer toute la matière. Les ajouts de Dalton à la théorie comprenaient les idées suivantes: que tous les atomes d'un certain élément étaient identiques, que les atomes d'un élément auront des poids et des propriétés différents de ceux des autres éléments, que les atomes ne peuvent pas être créés ou détruits et que la matière est formée par atomes se combinant en nombres entiers simples.
Thomson, le physicien britannique qui a découvert l'électron en 1897, a prouvé que les atomes peuvent être divisés, selon la Chemical Heritage Foundation. Il a pu déterminer l'existence d'électrons en étudiant les propriétés de la décharge électrique dans les tubes cathodiques. Selon le document de Thomson de 1897, les rayons étaient déviés à l'intérieur du tube, ce qui prouvait qu'il y avait quelque chose qui était chargé négativement dans le tube à vide. En 1899, Thomson a publié une description de sa version de l'atome, communément connue sous le nom de «modèle de pudding aux prunes». Un extrait de cet article se trouve sur le site Chem Team. Le modèle d'atome de Thomson comprenait un grand nombre d'électrons suspendus dans quelque chose qui produisait une charge positive donnant à l'atome une charge neutre globale. Son modèle ressemblait au pudding aux prunes, un dessert britannique populaire qui avait des raisins secs suspendus dans une boule ronde en forme de gâteau.
Le prochain scientifique à modifier et à faire avancer le modèle atomique était Rutherford, qui a étudié sous Thomson, selon le département de chimie de l'Université Purdue. En 1911, Rutherford a publié sa version de l'atome, qui comprenait un noyau chargé positivement orbité par des électrons. Ce modèle est apparu lorsque Rutherford et ses assistants ont tiré des particules alpha sur de fines feuilles d'or. Une particule alpha est composée de deux protons et de deux neutrons, tous maintenus ensemble par la même force nucléaire puissante qui lie le noyau, selon le Jefferson Lab.
Les scientifiques ont remarqué qu'un petit pourcentage des particules alpha étaient dispersées à de très grands angles par rapport à la direction d'origine du mouvement tandis que la majorité passait à travers à peine perturbée. Rutherford a pu approximer la taille du noyau de l'atome d'or, le trouvant au moins 10 000 fois plus petit que la taille de l'atome entier, une grande partie de l'atome étant un espace vide. Le modèle de l'atome de Rutherford est toujours le modèle de base utilisé aujourd'hui.
Plusieurs autres scientifiques ont approfondi le modèle atomique, y compris Niels Bohr (construit sur le modèle de Rutherford pour inclure les propriétés des électrons basés sur le spectre de l'hydrogène), Erwin Schrödinger (développé le modèle quantique de l'atome), Werner Heisenberg (a déclaré que l'on ne peut pas connaître à la fois le position et vitesse d'un électron simultanément), et Murray Gell-Mann et George Zweig (ont indépendamment développé la théorie selon laquelle les protons et les neutrons étaient composés de quarks).
