Qu’est-ce qu’un atome ?

Les atomes, les plus petites unités d’un élément qui en conservent les propriétés chimiques, sont tout petits. Les Grecs de l’Antiquité pensaient que c’étaient les plus petites particules existantes ; le mot ? atome ? est d’ailleurs tiré du mot grec ? indivisible ?. Une seule mèche de cheveux a une épaisseur équivalant à 500 000 atomes de carbone empilés les uns sur les autres. 

Les atomes sont indétectables à l’?il nu, voire par un microscope ordinaire. étant trop petits pour dévier les ondes lumineuses visibles, ils n’appara?tront donc pas sous un microscope optique. Il est possible de les observer avec un microscope électronique, dont les ondes électroniques peuvent interférer avec eux. Sur la photo ci-dessus, l’atome est ? visible ? parce qu’il a absorbé et réémis la lumière d’un laser.

Chaque atome se compose de trois types de particules : les protons, les neutrons et les électrons. En son centre se trouve un noyau dense, beaucoup plus petit que l’atome lui-même, qui contient des protons et des neutrons. Si le noyau de l’atome avait la taille d’une bille, l’atome aurait la taille d’un stade de sport. 

Les protons sont des particules chargées positivement, tandis que les neutrons sont neutres. Le noyau reste agrégé sous l’effet de la ? force nucléaire ?, qui maintient ensemble les protons et les neutrons sur des distances de l’ordre de la taille du noyau. La force nucléaire sur cette distance est beaucoup plus intense que la répulsion électrique s’exer?ant entre les protons (qui autrement se repousseraient, puisqu’ils portent des charges égales). Sur de plus grandes distances, elle devient rapidement négligeable. 

Le nombre de protons dans le noyau d’un atome détermine son élément. Par exemple, un atome ayant un proton est de l’hydrogène et un atome ayant huit protons est de l’oxygène.

Autour du noyau gravite une nuée d’électrons, particules chargées négativement. Le noyau atomique et les électrons sont liés entre eux par des interactions coulombiennes - qui sont, en physique, des forces répulsives ou attractives s’exer?ant entre ces particules chargées. Cependant, lorsqu’un électron gagne de l’énergie, il peut se séparer de l’atome, celui-ci se transformant alors en un ion chargé positivement.

Un atome qui contient le même nombre d’électrons chargés négativement et de protons chargés positivement est neutre, car les charges s’annulent. S’il gagne ou perd des électrons, il devient un ion.

Si le champ électrique d’un atome neutre est faible, un atome chargé électriquement ou ionisé a un champ électrique intense et devient fortement attiré par les ions et les molécules portant une charge opposée. Les atomes peuvent être ionisés sous l’effet d’un choc avec d’autres atomes, ions et particules subatomiques. Ils peuvent aussi l’être par exposition à des rayons gamma ou des rayons X. Le rayonnement ionisant est un rayonnement qui est suffisamment puissant pour séparer un électron d’un atome. Il peut aussi modifier la structure chimique de la matière, par exemple endommager l’ADN de tissus vivants.

La plupart des atomes sur Terre sont stables, principalement parce que leur noyau a une composition équilibrée de particules (neutrons et protons).

Cependant, dans certains types d’atomes instables, la composition en nombre de protons et de neutrons de leur noyau ne leur permet pas de maintenir ensemble ces particules. L’atome ? se désintègre ? alors en libérant de l’énergie sous forme de rayonnements (particules alpha ou bêta, rayons gamma ou neutrons, par exemple) qui, s’ils sont exploités et utilisés de manière s?re, peuvent avoir diverses utilités.

Plus d’informations : Qu’est-ce qu’un isotope ?

En 1917, un scientifique du nom d’Ernest Rutherford a découvert qu’en bombardant de l’azote avec des particules alpha radioactives, l’atome d’azote se transformait en oxygène tout en expulsant un noyau d’hydrogène. Cette particule subatomique (le noyau d’hydrogène) a ensuite été dénommée proton. 

La découverte de Rutherford a débouché sur la mise au point du premier accélérateur de particules, initialement appelé ? briseur d’atomes ?. Cet appareil puissant qui pouvait accélérer des particules chargées grace à un champ électrique pour les amener à des énergies élevées le long d’une trajectoire utilisait de gros aimants pour focaliser les particules individuelles chargées en faisceaux. Lorsque les particules qui se déplacent rapidement (à des vitesses proches de celle de la lumière) atteignent la cible, les atomes de cette dernière se séparent. 

En savoir plus : Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules ? (en anglais) 

Les accélérateurs de particules peuvent également servir à créer des matières radioactives en projetant des particules chargées sur des atomes afin de les transformer en atomes instables comme, par exemple, le technétium 99m utilisé en imagerie médicale et des radio-isotopes, en vue d’une thérapie ciblée du cancer.

De nos jours, les accélérateurs de particules servent aussi à stériliser le matériel médical, à étudier les origines de l’univers (par exemple, au grand collisionneur de hadrons), à analyser des échantillons d’air, à améliorer les matériaux et à les rendre plus résistants aux dégradations. Parmi les différents types d’accélérateurs de particules, on peut citer les implanteurs ioniques, les accélérateurs de faisceaux d’électrons, les cyclotrons, les synchrotrons, les accélérateurs linéaires (linacs) et les accélérateurs électrostatiques. 

Dans les années 1930, des scientifiques ont découvert que si un neutron - particule subatomique non chargée - percutait certains atomes d’uranium, ceux-ci pouvaient se scinder en deux et émettre un certain nombre de neutrons, libérant au passage une grande quantité d’énergie. C’est ce qu’on appelle la fission, du mot latin signifiant ? fendre ?. 

Avec 92 protons, l’uranium a le numéro atomique le plus élevé de tous les éléments naturels sur Terre. L’uranium 235 est plus facile à diviser (fission) que les autres isotopes, car son noyau est relativement instable et absorbe facilement un neutron, le faisant se scinder en deux atomes plus légers. Or, cette forme d’uranium, appelé ? fissile ?, ne constitue que 0,7 % de l’uranium trouvé sur Terre.

Pour en savoir plus sur l’uranium, cliquez ici. 

La fission peut déclencher une réaction nucléaire en cha?ne. Chaque fois qu’un atome d’uranium 235 se divise, il libère en moyenne 2,5 neutrons, qui eux-mêmes peuvent bombarder d’autres noyaux fissiles, libérant encore plus de neutrons. Cependant, ces neutrons ? rapides ? se déplacent initialement avec trop d’énergie pour bien déclencher une fission. L’utilisation d’un ? modérateur ?, comme l’eau ou le graphite, les ralentit. Les neutrons perdent la plus grande partie de leur énergie lors de collisions avec les atomes d’hydrogène ou de carbone et deviennent des neutrons ? thermiques ? ou ? lents ?, qui ont beaucoup plus de chances de fractionner d’autres noyaux d’uranium.

La technique de la fission nucléaire permet de produire 10 % de l’énergie mondiale décarbonée, car elle ne génère pas de dioxyde de carbone. 

La fusion nucléaire est le processus par lequel deux noyaux atomiques légers s’unissent pour en former un seul plus lourd, en libérant une quantité colossale d’énergie, selon une théorie ayant émergé dans les années 1920.

Les réactions de fusion se produisent dans un état de la matière appelé plasma, gaz chargé à température très élevée, constitué d’ions positifs et d’électrons libres, et aux propriétés distinctes de celles des solides, des liquides et des gaz.

Le soleil, comme toutes les autres étoiles, tire son énergie de cette réaction. Pour fusionner dans le soleil, les noyaux doivent entrer en collision les uns avec les autres à des températures extrêmement élevées, de l’ordre d’une centaine de millions de degrés Celsius. Cette température élevée leur fournit suffisamment d’énergie pour surmonter leur répulsion électrique mutuelle. Ils s’approchent de très près les uns des autres et, dès lors, la force d’attraction nucléaire entre eux dépasse la force de répulsion électrique et ils fusionnent. Pour que cela se produise, les noyaux doivent être confinés dans un espace réduit, ce qui accro?t les probabilités de collision. Dans le soleil, c’est la pression extrême engendrée par l’immense gravité de l’astre qui crée les conditions favorables à la fusion.

Pour en savoir plus sur l’énergie de fusion, voir notre texte explicatif.