Quels sont-ils et comment construisent-ils les éléments ? › Actualités Geek

Les atomes sont la base des éléments. Il y a 118 éléments connus dans le tableau périodique, dont 92 se produisent naturellement, et chacun est basé sur un atome différent.

Le mot « atome » vient du grec « atomos », signifiant quelque chose qui ne peut pas être coupé, ou qui ne peut pas être divisé. Il était une fois, les premiers scientifiques et philosophes pensaient que c’était effectivement le cas, mais il s’avère que les atomes sont construits à partir de composants plus petits et peuvent en effet être divisés, libérant de grandes quantités d’énergie dans le processus.

Les atomes sont également minuscules. Un atome typique mesure dix milliardièmes de mètre de diamètre. Le noyau d’un atome n’est qu’un quadrillionième (10^–15) de mètre.

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Alors, comment la nature construit-elle un atome ? L’image de base est celle d’un noyau contenant des protons et des neutrons entourés d’électrons qui orbitent autour du noyau. Cette description est presque correcte – en raison du principe d’incertitude de la physique quantique, nous ne pouvons pas réellement définir une orbite pour un électron, et donc à la place, ils essaiment autour du noyau dans un « nuage » indistinct. Mais pour plus de simplicité, l’image de base fera l’affaire pour l’instant.

Plus il y a de protons et de neutrons dans un noyau atomique, plus cet élément est lourd. Ainsi, par exemple, le plomb a 82 protons et entre 120 et 132 neutrons dans son noyau, alors que l’hydrogène, l’élément le plus léger, n’a qu’un proton et parfois un ou deux neutrons.

Le nombre de protons dans un atome d’un élément donné est toujours le même. Les physiciens appellent cela le numéro atomique (s’ouvre dans un nouvel onglet). Ainsi, dans l’exemple ci-dessus du plomb, son numéro atomique est 82 et cela ne change pas ; si c’était le cas, ce serait un élément différent (thallium, numéro atomique 81, ou bismuth, numéro atomique 83). Le nombre de neutrons dans le noyau, comme vous l’avez peut-être compris à partir de l’exemple ci-dessus, peut cependant changer, et nous appelons les atomes du même élément avec différents nombres de neutrons « isotopes ». (s’ouvre dans un nouvel onglet)“. Parfois, ces isotopes sont stables, mais souvent ils ne le sont pas et finissent par se désintégrer.

Découverte de l’atome

On sait que les éléments sont décomposés en unités de base d’un poids donné depuis le début des années 1800, selon une idée du scientifique anglais John Dalton. (s’ouvre dans un nouvel onglet). Il considérait ces unités comme des particules fondamentales et indivisibles, d’où son utilisation du mot grec « atomos ».

Les choses sont devenues plus intéressantes en 1897, lorsque JJ Thomson (s’ouvre dans un nouvel onglet) découvert des électrons, en se rendant compte que les rayons cathodiques (s’ouvre dans un nouvel onglet) étaient des flux de particules et non des ondes électromagnétiques. Thomson a jugé que les électrons devaient provenir des atomes à l’intérieur du tube cathodique avec lequel il expérimentait. Cette découverte était d’une immense importance car elle signifiait que les atomes ne sont pas les particules les plus fondamentales de toutes et qu’ils peuvent être formés de particules plus petites.

Cependant, les atomes sont électriquement neutres, alors que les électrons sont chargés négativement. Donc Thomson, raisonnablement, pensait qu’il devait y avoir quelque chose à l’intérieur de l’atome avec une charge positive qui annulait les charges négatives des électrons. Ce qu’il envisageait s’appelait le « modèle de pudding aux prunes ». (s’ouvre dans un nouvel onglet) » avec les électrons intégrés comme des prunes dans le pudding de charge positive.

Les choses sont devenues plus définies en 1913. Expériences d’Ernest Rutherford (s’ouvre dans un nouvel onglet)avec ses collègues Hans Geiger (s’ouvre dans un nouvel onglet) de la renommée des compteurs Geiger et d’Ernest Marsden (s’ouvre dans un nouvel onglet), a révélé la vérité sur les atomes. Le trio, qui était à l’Université de Manchester, a tiré ce qu’on appelait à l’époque des particules alpha sur une feuille de feuille d’or. Si les atomes étaient structurés selon le modèle du plum pudding, où ils ne contenaient qu’un mélange de charges positives et négatives, les particules alpha devraient simplement voler à travers. Au lieu de cela, Rutherford, Geiger et Marsden ont découvert que les particules alpha continuaient d’être déviées, parfois d’un petit angle, mais parfois dispersées d’un grand angle, et qu’une particule alpha sur mille rebondissait directement.

Schéma de l’expérience de la feuille d’or montrant les particules alpha déviées par la feuille d’or. (Crédit image : DKN0049 via Getty Images.) (s’ouvre dans un nouvel onglet)

Il aurait dû être impossible pour une particule alpha de rebondir directement dans le modèle de plum pudding. Au lieu de cela, Rutherford, Geiger et Marsden ont interprété leurs résultats comme signifiant qu’il y avait un noyau de charge positive concentré au centre de l’atome, sur lequel rebondissaient les particules alpha.

Sur cette base, le physicien danois Niels Bohr (s’ouvre dans un nouvel onglet), aux côtés de Rutherford, a développé un modèle global de l’atome qui représentait les électrons en orbite autour du noyau dans des coquilles correspondant à leur énergie, et que le reste de l’atome serait un espace vide. Ce sont les diverses forces qui agissent à travers l’atome – la force nucléaire forte liant les neutrons et les protons, et les forces électrostatiques des particules chargées, qui donnent l’impression que les atomes sont solides.

De plus, nous savons maintenant que les particules alpha sont les noyaux de l’hélium-4, contenant deux protons et deux neutrons, et comme nous le verrons plus tard, elles peuvent être le produit d’une désintégration radioactive.

Électrons dans l’atome

Comme nous l’avons vu, le nombre d’électrons en rotation (s’ouvre dans un nouvel onglet) autour d’un noyau est généralement le même que le numéro atomique, de sorte que leurs charges s’annulent, ce qui donne un atome neutre (les neutrons sont également électriquement neutres, d’où leur nom, ils ne contribuent donc en rien à la charge globale de l’atome).

Quelle que soit la façon dont nous imaginons comment les électrons se déplacent autour du noyau atomique, que ce soit sur des orbites propres ou sous forme de « nuage », nous savons qu’ils orbitent dans des couches d’énergie de plus en plus élevée, et chaque couche peut incorporer jusqu’à un certain nombre d’électrons.

La couche d’énergie la plus basse, la plus proche du noyau, s’appelle la couche K et ne peut contenir que deux électrons. Une fois la coque K remplie, tous les électrons suivants vont d’abord dans la coque L, qui peut contenir 8 électrons, puis la coque M qui peut contenir 18 électrons, puis la coque N et les coques O qui peuvent contenir 32 électrons. chaque. (En fait, la coque O pourrait théoriquement contenir 50 électrons, mais il n’existe aucun élément connu avec autant d’électrons.)

Comment les atomes deviennent ionisés

Les régions de formation d’étoiles dans l’espace comme la nébuleuse d’Orion illustrée ici abritent des étoiles en herbe. La lumière ultraviolette de ces jeunes étoiles creuse une cavité dans la nébuleuse par émission. (Crédit d’image : NASA, ESA, M. Robberto (STScI/ESA) et l’équipe du projet Hubble Space Telescope Orion Treasury) (s’ouvre dans un nouvel onglet)

Les électrons ne sont pas toujours confinés à leurs coquilles spécifiques. Si un atome absorbe un photon de lumière avec suffisamment d’énergie – disons un photon ultraviolet d’une étoile chaude – cette énergie absorbée peut faire passer un électron à un niveau d’énergie plus élevé pendant une courte période. Cependant, il s’agit d’une situation instable, de sorte que l’électron retombe et, ce faisant, il libère l’énergie absorbée à une longueur d’onde caractéristique de cet atome particulier.

Parfois, l’énergie absorbée par l’atome lorsqu’un photon le frappe est suffisante non seulement pour faire sauter un électron d’un niveau d’énergie, mais pour permettre à l’électron de se libérer de l’atome. Le résultat net est que l’atome auparavant neutre acquiert une charge électrique parce que le nombre de protons dépasse maintenant le nombre d’électrons d’un (parfois deux, si deux électrons sont éliminés). Ce processus est appelé ionisation (s’ouvre dans un nouvel onglet)et un atome ionisé est appelé un ion.

Les transitions d’énergie électronique et l’ionisation sont les processus par lesquels les nébuleuses dites d’émission dans l’espace brillent. Les nébuleuses d’émission sont souvent des régions de formation d’étoiles et sont ionisées par la lumière ultraviolette dure des jeunes étoiles massives nées en leur sein.

Désintégration radioactive

Tous les atomes ne sont pas stables. Certains isotopes sont instables et se désintègrent spontanément. Il existe plusieurs types de pourriture. L’un est la désintégration des particules alpha, dans laquelle un atome libère un noyau d’hélium. Désintégration bêta (s’ouvre dans un nouvel onglet) implique l’émission d’un proton ou d’un électron. En désintégration gamma (s’ouvre dans un nouvel onglet)un photon gamma est émis.

Ces événements de désintégration sont aléatoires mais peuvent être moyennés à l’aide d’un terme appelé « demi-vie ». (s’ouvre dans un nouvel onglet)“. Cela décrit le temps qu’il faut pour que la moitié de la quantité d’une matière radioactive donnée se désintègre, en moyenne. Par exemple, la demi-vie du plutonium-238 est de 87,7 ans, alors que l’uranium-238 a une demi-vie de 4,5 milliards d’années.

Fractionner l’atome

À l’intérieur d’un réacteur à fusion. (Crédit image : Monty Rakusen via Getty Images) (s’ouvre dans un nouvel onglet)

Avec le recul, le nom « atome », faisant référence à quelque chose de fondamentalement insécable, est plutôt inexact. Non seulement les atomes sont formés à partir de particules plus petites (protons et neutrons, qui à leur tour sont formés à partir de quarks et d’électrons), mais ils peuvent également être très bien divisés. En effet, « diviser l’atome » est une expression courante faisant référence à la puissance de fission nucléaire, et effrayant à la bombe atomique.

Il y a beaucoup d’énergie contenue dans un atome. Bombardez un atome avec suffisamment de particules à haute énergie et il finira par se briser, se divisant en deux noyaux filles de numéro atomique inférieur et libérant des photons d’énergie dans le processus. Les noyaux filles produits sont différents pour chaque événement de fission. Les réacteurs nucléaires bombardent les atomes d’uranium-235 ou de plutonium-239 avec des neutrons, et lorsque les atomes se divisent, ils produisent de l’énergie et plus de neutrons, qui peuvent ensuite diviser d’autres atomes d’uranium et de plutonium dans une réaction en chaîne. L’uranium 238 est également fissile, mais des neutrons «rapides» à des énergies plus élevées sont nécessaires pour le scinder. C’est souvent le procédé utilisé dans les armes nucléaires.

La fission nucléaire produit des déchets nucléaires radioactifs (s’ouvre dans un nouvel onglet) sous la forme des isotopes descendants produits par la scission de l’uranium ou du plutonium, qui se désintègrent souvent avec des demi-vies de très longues échelles de temps, et donc l’élimination de ces déchets est un problème environnemental qui n’a pas encore été suffisamment résolu.

Une alternative à la fission nucléaire est la fusion nucléaire. Comme son nom l’indique, cela implique de fusionner deux atomes ensemble pour créer un atome plus lourd, libérant de l’énergie dans le processus. Cela présente plusieurs avantages, notamment la production de plus d’énergie, la non-dépendance à l’égard d’éléments radioactifs tels que le plutonium qui nécessitent une manipulation prudente et le fait que la fusion ne produit aucun déchet radioactif. Au lieu de cela, des éléments légers peuvent être utilisés, tels que le deutérium (un isotope de l’hydrogène qui a un proton et un neutron) et le tritium (un isotope de l’hydrogène contenant un proton et deux neutrons), et sont en fait préférés. En effet, pour fusionner deux atomes ensemble, la force de Coulomb (s’ouvre dans un nouvel onglet) doit être surmonté.

La force de Coulomb est la force électrostatique ressentie par des charges similaires – les charges positives des protons d’un noyau atomique repousseront les charges positives des protons de l’autre noyau atomique lors d’une tentative de fusion. Cependant, avec suffisamment d’énergie, cela peut être surmonté, et comme les noyaux avec un numéro atomique plus petit ont moins de protons, la force de Coulomb est globalement plus faible et nécessite moins d’énergie pour passer. Générer cette énergie implique de créer des températures et des pressions élevées. La fusion thermonucléaire crée un plasma chaud (s’ouvre dans un nouvel onglet) – un état de la matière formé d’ions et d’électrons plutôt que d’atomes électriquement neutres que l’on trouve dans le gaz – qui peut être confiné, par exemple, par des champs magnétiques dans un appareil appelé tokamak, et la pression dans le plasma devient si grande que les noyaux commencent à fusionner. Une autre méthode est la fusion par confinement inertiel, dans laquelle des pastilles de deutérium et de tritium sont chauffées et comprimées, souvent par des faisceaux laser très puissants.

Bien que les physiciens aient réalisé une fusion nucléaire contrôlée, les expériences actuelles doivent encore mettre plus d’énergie dans les réactions de fusion que la quantité d’énergie que les réactions produisent. Cependant, on espère que d’autres expériences, comme à ITER (s’ouvre dans un nouvel onglet)le réacteur thermonucléaire expérimental international près de Marseille en France, améliorera les techniques pour rendre possible la production d’énergie par fusion à grande échelle d’ici la seconde moitié de ce siècle.

Malheureusement, les réactions thermonucléaires incontrôlées sont cependant plus faciles à générer. Ceux-ci sont utilisés dans les armes thermonucléaires. Plus heureusement, les réactions de fusion incontrôlées sont aussi ce qui fait briller le soleil et toutes les étoiles – au cœur d’une étoile, la pression de contraction gravitationnelle augmente la température et la pression suffisamment pour fusionner les éléments depuis l’hydrogène jusqu’au fer, dans un processus connu sous le nom de nucléosynthèse stellaire. Les explosions de supernova sont encore plus énergétiques et peuvent fusionner des éléments plus lourds que le fer.

Ressources additionnelles

En savoir plus sur les différents types de rayonnement avec ces ressources des Centers for Disease Control and Prevention (s’ouvre dans un nouvel onglet). Une histoire détaillée des particules alpha et des travaux de Rutherford sur l’atome peut être trouvée sur le site Web de l’American Institutes of Physics (s’ouvre dans un nouvel onglet). Explorez les atomes encore plus en détail avec The Institute of Physics (s’ouvre dans un nouvel onglet). Si vous voulez en savoir plus sur la nucléosynthèse stellaire, l’Université d’Oxford a plus d’informations sur son site de philosophie de la cosmologie (s’ouvre dans un nouvel onglet).

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Bibliographie

Physique des particules, par Brian R. Martin (2011, One-World Publications)

The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe, par Theodore Gray (2009, Black Dog et Leventhal Publishers)

Les étoiles de l’Encyclopédie de Cambridge, par James B. Kaler (2006, Cambridge University Press)