CHAPITRE 1
GÉNÉRALITÉS SUR L’ATOME ET SA STRUCTURE
Préambule/Objectifs
La notion d’atome remonte à l’Antiquité. Qu’est-ce au juste qu’un atome ? La matière est-elle
constituée d’un milieu homogène, continu, divisible à l’infini ? ou au contraire est-ce un
milieu inhomogène ? Ce sera l’objectif de ce cours de préciser cette notion et à travers
l’établissement de modèles quantitatifs de prévoir, calculer les propriétés de l’atome.
1. Introduction
L’étude expérimentale des réactions chimiques fut la première méthode
d’investigation des propriétés des éléments. Des expériences simples (telles que la
mesure des poids des éléments qui se combinent les uns aux autres), mais dont la
précision était soigneusement discutée, ont conduit quelques purs chimistes à cette
notion physique fondamentale qu’est l’atome. Sans doute, nul mieux que
Jean PERRIN (Prix Nobel) dans son livre "LES ATOMES" n’a décrit les premiers
tâtonnements des chimistes du début du XIXe siècle qui avaient entrevu la structure
corpusculaire de la matière à travers les lois des combinaisons.
Bien que le mot ait été inventé par les Grecs, ce n’est que vers le milieu de ce siècle
que le concept d’atome a réellement porté ses fruits. Depuis le début de ce siècle, le
développement de la technologie a permis l’étude des particules élémentaires
constitutives des atomes et des molécules. Ces entités ont pu être isolées et l’action
de forces extérieures a permis de mettre en évidence leurs propriétés et leur
structure. Des accélérateurs puissants, communiquant des énergies énormes à des
particules incidentes, ont rendu possible la désintégration et l’étude du noyau.
Plus récemment encore, l’approche théorique de l’Univers physique a connu des
bonds prodigieux. Le raffinement des méthodes expérimentales a permis de tester
des hypothèses ambitieuses. L’arrivée dans les centres de recherche d’ordinateurs
de plus en plus puissants a fait reculer les limites de l’impossible de telle sorte, que
dans bien des cas, les calculs théoriques sont aussi importants que l’approche
expérimentale pour la compréhension des phénomènes. Dans certains cas, la
manipulation expérimentale est devenue secondaire.
En définitive, l’atome se réduit à un assemblage plus ou moins complexe d’un petit
nombre de particules élémentaires. Ces particules étant des masses chargées, il
devrait être possible de construire théoriquement n’importe quel atome en
disposant convenablement ces particules élémentaires, compte tenu des forces qui
agissent entre elles. Les propriétés chimiques de l’atome seraient ensuite expliquées
par l’étude des interactions mutuelles de deux atomes différents. Ce problème
théorique devient rapidement très complexe dès que le nombre d’électrons
dépassent dix. Cependant, les modèles mathématiques, lorsqu’ils sont
convenablement choisis, donnent des résultats très satisfaisants, leur généralisation
aux éléments les plus lourds doit être faite avec discernement.
2. Historique de nos conceptions sur l’atome
L’étude de la décharge dans les gaz raréfiés a montré que les atomes dont est
constituée toute matière sont formés d’un constituant universel, les électrons
chargés négativement, de masse négligeable, tous identiques entre eux quelle que
soit la matière dont ils sont extraits (rayons cathodiques) et de constituants chargés
positivement, emportant avec eux la quasi-totalité de la masse de l’atome dissocié
(rayons canaux - GOLDSTEIN 1886). Ces ions positifs ont des propriétés qui
dépendent du matériel dont ils sont extraits.
On a obtenu les ions H+, H2+, He+, H, Cl, etc. mais jamais H++. Il était donc justifié
de supposer que l’hydrogène était formé d’un élément positif uni à un seul électron.
Pour l’hélium, il fallait l’admettre de même formé d’un élément positif doublement
chargé uni à deux électrons. Il était cependant difficile d’aller plus loin car la perte
de 2, 3, 4, ... n électrons par un atome lourd, entraîne la formation d’un champ
électrostatique énorme autour de cet atome, de telle sorte que l’extraction du n +
1ème électron était très difficilement réalisable.
La connaissance des atomes les plus lourds devait être abordée par une autre voie.
C’est ce que fit J. J. THOMSON en développant la théorie de diffusion des rayons
X par la matière. Admettant que cette diffusion était due à l’entrée en vibration des
électrons sous l’action du champ électromagnétique associé aux rayons X, il
montra que le nombre d’électrons contenus dans un élément devait être voisin de la
moitié de sa masse atomique, c’est-à-dire, en gros, de son rang dans la
classification périodique.
Le problème se posait alors de trouver un modèle d’atome où l’on exprimerait la
manière dont ces électrons étaient unis aux restes positifs. Deux propositions, deux
modèles, furent proposées et, bien sûr, mis à l’étude.
Modèle de THOMSON
L’atome serait constitué d’une sphère d’électricité positive, homogène et
indivisible au sein de laquelle s’enfoncent les électrons, jusqu’à ce que leur
répulsion naturelle compense l’attraction un peu comme les pépins dans une
orange. C’était un modèle statique (figure 1.1).
Modèle de PERRIN
L’atome serait un système solaire en miniature où les électrons faisant office de
planètes circulent librement autour d’un noyau chargé positivement, leur inertie
équilibrant l’action du champ électrique. C’est un modèle dynamique (figure 1.2).
Figure 1.1. Modèle de THOMSON.
Mais, d’après la théorie électromagnétique, tout système comportant un moment
électrique variable émet un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement
transporte de l’énergie qui provoque une diminution de celle de l’émetteur.
L’électron devrait donc ralentir, donc se rapprocher du noyau, et depuis le temps
que la matière existe, il ne pourrait être que sur le noyau lui-même, un peu à
l’image des satellites artificiels qui finissent toujours par revenir sur Terre.
Figure 1.2. Modèle de PERRIN.
Le modèle de THOMSON n’était pas exempt non plus de critiques. Des
expériences avaient montré que les particules  (He++) traversent une épaisseur
d’aluminium telle qu’elles subissent environ 100 000 chocs sans être pratiquement
déviées. Or, pour THOMSON, les ions He++ ont des dimensions de l’ordre 1010 m,
comme tous les atomes (voir plus loin les expériences de déviation électrique et
magnétique). Le modèle de THOMSON ne laisse pas de place pour de tels
passages. Au contraire le modèle planétaire de PERRIN laisse une très grande
quantité de vide entre les électrons et les noyaux.
D’autres modèles ont été également proposés. Pour le japonais NAGAOKA
l’atome devait ressembler à une construction ressemblant à la planète Saturne
entouré de son anneau. L’équivalent de la planète elle-même constituait le noyau
positif et les électrons se trouvaient sur l’anneau (partie gauche de la figure
1.3). Pour sa part, le physicien allemand LENARD prétendait que l’atome était
constitué essentiellement de vide et que l’atome était constitué de doublets neutres,
donc comportant une charge électrique positive et une charge électrique négative
(partie droite de la figure 1.3). Tous ces modèles pouvaient expliquer les
phénomènes observés à cette époque.
Figure 1.3. D'autres modèles atomiques.
C’est RUTHERFORD qui trancha la question en étudiant la déviation des
particules  traversant un écran.
Expérience de RUTHERFORD et GEIGER (1911)
Les particules  émises par le radium traversent une feuille métallique mince (Fig.
1.4). Chaque particule a est capable de produire une scintillation sur un écran
fluorescent convenable. On peut donc compter les particules sur chaque unité de
surface de l’écran. RUTHERFORD constate que :
Figure 1.4. Dispositif expérimental de RUTHERFORD.


la proportion de particules déviées est d’autant plus petite que l’angle  est
plus grand (Fig. 1.4);
pour un angle de diffusion donné, cette proportion est d’autant plus petite
que le métal est léger.
Pour des atomes lourds, l’or par exemple, il y a des retours en arrière. "C’était la
chose la plus incroyable rencontrée dans mon existence, écrivît Lord
RUTHERFORD, à peu près aussi invraisemblable que si l’on tirait un coup de
canon de 380 mm sur une feuille de papier de soie et qu’elle renvoie le projectile
vers l’arrière. À la réflexion, je me rendis compte que ce renvoi vers l’arrière devait
résulter d’une collision unique et le calcul me démontra que ce phénomène n’était
explicable, même qualitativement, que si la quasi-totalité de la masse de l’atome
était concentrée dans un noyau minuscule".
Le principe du calcul de RUTHERFORD est basé sur les hypothèses suivantes :
1- la déflexion d’une particule a est causée par un seul atome, et
2- l’interaction atome-particule obéit à la loi électrostatique de COULOMB.
Dans ces conditions, le calcul de l’angle de déviation  est un problème mécanique
analogue au calcul du mouvement d’une comète passant près d’une planète (Fig.
1.2 et 1.6). La trajectoire est parabolique et l’angle  est donné par :
1.1
Dans cette équation m, 2 e et  sont la masse, la charge et la vitesse de la
particule , Ze est la charge du noyau de l’atome et p la plus courte distance entre
le noyau et la direction incidente de la particule . On doit calculer la distribution
angulaire des particules ayant passé à travers une feuille métallique mince puisque
c’est la quantité que l’on peut mesurer. Quelle est donc la fraction F de toutes les
particules incidentes dont la direction est comprise entre les angles  et  + d ?
Figure 1.5. Résultats expérimentaux.
Figure 1.6. Déviation d’une particule a dans un champ nucléaire.
Si la feuille de métal d’épaisseur présente n atomes par unité de surface au
faisceau de particules incidentes, on peut attribuer à chaque noyau une surface 1/ n
(on inclut dans n tous les atomes, même ceux des couches profondes). Ce nombre n
peut être calculé à partir de la densité, de l’épaisseur de la feuille et de la masse des
atomes. Le calcul complet de F, la fraction de particules a ayant été déviées d’un
angle , peut être calculée (on trouvera la démonstration dans divers volumes
appropriés):
1.2
Cette équation est utilisée comme suit:
1- Pour les particules a de vitesse connue, la variation de F avec  est en accord
avec les observations, ce qui justifie les hypothèses faites;
2. À partir de cette relation, on peur déterminer la seule quantité inconnue : la
charge nucléaire Z e. Voici, à titre d’exemples, quelques résultats :
Tableau 1.1. Détermination du numéro atomique à l’aide de l’expérience de
RUTHERFORD
Atome
N atomique
Z expérimental
Pt
78
77,4 ± 1
Ag
47
46,3 ± 0,7
Cu
29
29,3 ± 0,5
Au
79
79 ± 2
Ar
18
19
3- La connaissance de Z e donne p pour des valeurs particulières
de  (équation 1.1).
Pour les grandes déviations on trouve des valeurs de p de l’ordre de 1014 m. La
particule a s’approche donc à cette distance du noyau. Cela signifie que le noyau a
une dimension inférieure à cette distance.
Aujourd’hui on sait également que la dimension extérieure de l’atome est de l’ordre
de 1010 m et que la dimension d’un électron est voisine de 1015 m. Il est donc
impossible de représenter un atome à l’échelle (Fig. 1.2). Il faudrait une bille de 1
cm de diamètre pour le noyau, distante de 100 mètres d’une autre bille de 1 mm de
diamètre représentant l’électron. Le noyau tient moins de place dans l’atome que le
Soleil dans l’orbite de Pluton :
rayon de la terre. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 300 km,
rayon de l’orbite de la lune . . . . . . . . . . 384 000 km,
rayon du soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690 000 km,
rayon de l’orbite de Pluton . . . . . . . . . 5 800  106 km.
Le rayon de l’atome est tel que seuls les électrons se manifestent à nous. Le noyau
impose le nombre et la répartition des électrons par sa charge et non par sa masse.
Des noyaux de mêmes charges donneront des atomes aux propriétés chimiques
identiques, mais ils pourront avoir des masses différentes: ce sont les isotopes.
Enfin, on entrevoit déjà la possibilité d’expliquer la classification périodique de
MENDÉLÉIEFF par un arrangement périodique des électrons autour des noyaux.
3. L’atome à l’état lié et à l’état libre
Pour étudier les atomes il faut très souvent les isoler. D’une façon générale, si l’on
exclut les gaz rares, l’atome n’est pas observé à l’état libre. Il constitue le plus
souvent un édifice plus ou moins compliqué: le cristal.
Une fois isolés à l’état pur, tous les éléments sont cristallisés. Même les éléments
gazeux à la température ordinaire sont cristallisés à basse température. Dans le
cristal, les atomes individuels ne sont pas libres mais liés par des forces (liaison
métallique). Par traitement thermique approprié, on peut obtenir les éléments à
l’état amorphe, c’est-à-dire non cristallisé. Là encore, les atomes ne sont pas libres.
Les éléments métalloïdes ont tendance à former des molécules. L’azote, l’oxygène,
le chlore sont des exemples bien connus. L’iode chauffé donne une vapeur de
formule I2 au moins jusqu’à 1 500 °C. De même, le soufre donne S 8 ou S2 selon la
température.
Les seuls éléments naturels qui, à la température ordinaire, existent sous forme
d’atomes sont les gaz rares. Les vapeurs métalliques sont généralement
monoatomiques pour les alcalins et tendent à former des molécules à mesure que le
caractère métallique tend à s’estomper.
Il est possible de produire des atomes en concentration parfois importante par
dissociation des composés moléculaires sous l’action de forces extérieures. Un
courant d’hydrogène traversé par une décharge électrique peut, si les conditions
expérimentales sont convenables, contenir jusqu’à 90 % d’atomes d’hydrogène.
Ces atomes sont détectables dans la région de l’espace située immédiatement après
la décharge et mesurant plusieurs dizaines de centimètres. On peut donc obtenir un
faisceau d’atomes suffisamment long pour que l’on puisse l’étudier. Cette méthode
dite des jets atomiques est utilisée depuis le début des années 1960 pour vérifier
certains points de vue théoriques. Elle est encore plus facilement réalisable avec
certains éléments (Na, Ag) qu’il suffit de chauffer pour les transformer en atomes.
Les ions en solution peuvent être considérés comme des atomes (ions) isolés si la
concentration est faible. Ces atomes sont en effet séparés par les molécules du
solvant et l’on sait que certaines propriétés rappellent celles des gaz plus ou moins
parfaits (pression osmotique). Malheureusement, l’influence du solvant est souvent
difficile à apprécier.
Vers le milieu des années 60, on a pu piéger des atomes dans des matrices solides
maintenues à très basse température (ex.: atomes d’oxygène ou d’hydrogène isolés
dans de l’azote moléculaire solide). On peut alors étudier ces atomes tout à loisir,
mais là encore, l’influence des molécules voisines pose des problèmes
d’interprétation compliquée.
4. Méthodes d’étude du nuage électronique
Historiquement, ce fut l’étude des spectres d’émission et d’absorption qui permit
d’atteindre la structure du nuage électronique. De nos jours, la source d’information
apportée par les spectres n’est pas épuisée. Du domaine visible et ultraviolet, la
spectroscopie s’est étendue dans l’ultraviolet lointain et les rayons X vers les
courtes longueurs d’onde. Dans le domaine des longues longueurs d’onde,
l’infrarouge et les ondes radio (hyperfréquences ou micro ondes) font partie de
l’arsenal du spectroscopiste. La spectroscopie permet de mesurer directement
les échanges d’énergie entre l’atome et le milieu extérieur. Ces échanges d’énergie
se font sous la forme de radiations électromagnétiques, dans tout le domaine de
longueur d’onde de ces radiations. Ces échanges permettent de repérer les divers
états de l’atome.
L’atome est entouré de charges en mouvement. Il est donc le siège de phénomènes
électrostatiques et magnétiques. On a pu relier la constante diélectrique et la
susceptibilité magnétique des éléments à des propriétés de l’atome lui-même.
L’action de champs électriques et magnétiques aura certainement un effet sur le
comportement des électrons, donc sur l’état de l’atome. Cet effet entraînera des
modifications des spectres, modifications qui pourront être observées.
De très précieux renseignements sont aussi obtenus à partir de l’ionisation
contrôlée obtenue par bombardement d’électrons. Enfin, les propriétés chimiques
des éléments donnent des indications sur la nature du nuage électronique
puisque seuls les électrons interviennent dans les liaisons entre atomes.
5. Méthodes d’étude du noyau atomique
La plus importante source d’informations sur le noyau atomique est la radioactivité
naturelle et artificielle. Depuis la désastreuse affaire d’Hiroshima, la fission et, plus
récemment, la fusion nucléaire ont ajouté d’autres méthodes d’études. La mise en
service d’accélérateurs de particules, de plus en plus imposants, puissants et
performants, a permis d’obtenir une quantité considérable de détails relativement à
la nature de quelques dizaines de particules subatomiques constitutives des noyaux.
Bien que la nature des forces mises en jeu dans les équilibres en présence ne soit
pas complètement bien connue, la recherche dans le domaine du noyau, a fait ces
dernières années, des progrès considérables. Il faut ici ajouter que par un heureux
hasard, la recherche dans le domaine de la physique nucléaire rejoint les
préoccupations relativement à la création, à la naissance de l’Univers, à ce
fameux big-bang très mal connu et qui aurait eu lieu il y a quelque 9-12 milliards
d’années.
Il faut enfin ajouter que l’influence du noyau peut être observée en spectroscopie :
de petits phénomènes observables sous résolution élevée sont attribués au moment
magnétique du noyau. La méthoe de la résonance magnétique nucléaire (R.M.N.)
est, non seulement une méthode d’étude du noyau, c’est aussi une méthode
d’analyse largement appliquée en chimie analytique.
CONCLUSION
Le début du XXe siècle a vu apparaître les premiers modèles physiques se doubler de modèles
quantitatifs pour expliquer le comportement et la structure des atomes. Modèle planétaire,
l’atome est constitué d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. C’est donc un milieu
essentiellement constitué de vide, où l’atome en est l’élément ultime quant à la matière classique.
Au de là, la matière fait place à des particules dont l’électron et le noyau sont des éléments.