Qu'est-ce qu'un atome ? Noyau, électrons et ordres de grandeur

Une tête d’épingle en fer ne pèse presque rien, et pourtant elle contient à peu près 60 millions de milliards d’atomes. Le chiffre donne le vertige, et il dit l’essentiel : l’atome est la brique de toute la matière qui nous entoure, et il est d’une petitesse que notre imagination peine à suivre. Voici ce qu’est un atome, ce qu’il contient, comment on a fini par se convaincre de son existence, et quelles images il vaut mieux oublier pour se le représenter.

Une idée de philosophe devenue certitude de physicien

L’idée que la matière est faite de grains insécables, que l’on ne peut plus couper, remonte aux penseurs grecs du Ve siècle avant notre ère, Démocrite en tête. Le mot « atome » vient d’ailleurs du grec atomos, « qu’on ne peut diviser ». Pendant plus de deux mille ans, ce ne fut pourtant qu’une hypothèse parmi d’autres, défendue par les uns, rejetée par les autres.

Le livret consacré à l’atome par le CEA, le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, retrace les grandes étapes du retour de l’idée. En 1808, le chimiste anglais John Dalton s’en sert pour expliquer les proportions fixes dans lesquelles les corps se combinent : une réaction chimique n’est qu’un nouvel agencement d’atomes qui, eux, ne changent pas. En 1897, Joseph John Thomson montre que les rayons cathodiques sont faits de particules chargées négativement, les électrons : l’atome n’est donc pas insécable. En 1908, le Français Jean Perrin apporte la démonstration que la matière est bel et bien constituée d’atomes. Et en 1911, Ernest Rutherford bombarde une mince feuille d’or de particules et découvre que presque toute la masse de l’atome se concentre dans un noyau minuscule.

Un noyau et un nuage

Un atome se compose de trois sortes de particules. Au centre, le noyau rassemble des protons, chargés positivement, et des neutrons, sans charge. Rutherford imagine les premiers en 1918 ; James Chadwick découvre les seconds en 1932. Autour du noyau se tiennent les électrons, chargés négativement.

Protons et neutrons ont à peu près la même masse, environ 1 840 fois celle d’un électron, précise le CEA. Le noyau concentre donc la quasi-totalité de la masse de l’atome. Et comme un atome compte autant d’électrons que de protons, les charges se compensent exactement : l’atome est électriquement neutre.

Oubliez en revanche l’image, si répandue dans les manuels et les logos, d’électrons tournant autour du noyau comme des planètes autour du Soleil. Elle date des premiers modèles, dont celui de Niels Bohr en 1913. La physique quantique a montré qu’on ne peut pas attribuer une trajectoire précise à un électron : il vaut mieux se le figurer comme un nuage, plus dense là où l’électron a le plus de chances de se trouver. Protons et neutrons ne sont d’ailleurs pas eux-mêmes indivisibles : ils sont faits de quarks, dont la théorie date de 1964.

Des tailles qui défient l’imagination

Le diamètre de ce nuage électronique va d’environ 0,05 milliardième de mètre pour l’hydrogène à 0,43 milliardième pour le radium, selon le CEA. Pour atteindre l’épaisseur d’un cheveu, il faudrait empiler un million d’atomes d’hydrogène.

Le noyau est encore bien plus petit : environ 100 000 fois plus petit que l’atome lui-même. Pour fixer les idées, agrandissons un atome jusqu’à la longueur d’un terrain de football, une centaine de mètres. Son noyau mesurerait alors un millimètre, une tête d’épingle posée au rond central, et tout le reste du terrain ne serait occupé que par le nuage ténu des électrons. La matière qui nous paraît pleine est, à cette échelle, presque entièrement vide.

Ce vide a une contrepartie : le noyau est d’une densité inouïe. Le CEA fait le calcul pour notre tête d’épingle en fer : si l’on pouvait tasser ses seuls noyaux, sans le moindre espace entre eux, elle pèserait 140 000 tonnes.

Ce qui fait qu’un atome est du fer ou de l’oxygène

Qu’est-ce qui distingue un atome de fer d’un atome d’oxygène ? Uniquement le nombre de protons de son noyau, appelé numéro atomique. Un atome à 8 protons est de l’oxygène, un atome à 26 protons est du fer, où qu’il se trouve dans l’Univers. C’est ce nombre qui fixe la place de chaque élément dans le tableau périodique des éléments, et c’est l’arrangement de ses électrons qui décide de la façon dont il se lie aux autres.

Ces liaisons donnent naissance aux molécules. Deux atomes d’azote forment une molécule d’azote, deux atomes d’oxygène une molécule d’oxygène : à elles deux, elles font l’essentiel de l’air, et leur petitesse explique pourquoi le ciel est bleu. Les mêmes atomes se retrouvent partout : le CEA rappelle que la Terre est composée pour environ 32 % de fer et 30 % d’oxygène, et les roches grises qui font briller la Lune au fil de ses phases sont faites pour l’essentiel d’oxygène, de silicium et de métaux.

Pour vous représenter un atome, gardez deux chiffres en tête plutôt qu’un dessin : un dix-milliardième de mètre pour l’atome, cent mille fois moins pour son noyau. Et méfiez-vous des schémas à orbites bien rondes : ils sont commodes pour compter les électrons, mais ils racontent un atome qui n’existe pas.