L'ATOME DE L'ANTIQUITÉ À NOS JOURS : HISTOIRE D'UNE RÉALITÉ

DANS L'ANTIQUITE Thalès est considéré comme l’un des Sept Sages, ce philosophe, astronome et mathématicien grec originaire de Milet (Asie Mineure), est considéré comme le fondateur de la philosophie grecque. Vers 600 av. J.-C., il désignait l’eau comme le principe de toute chose, substance primordiale dont procède et dans laquelle retourne chaque chose Comme l’affirmera Aristote, cette approche marqua le début de la pensée scientifique et de la philosophie vouée à la recherche des lois et des éléments constants de la réalité changeante. Anaximène considère l'air comme l'élément fondamental. Pour expliquer comment se constituent les solides à partir de l'air, le philosophe introduit les notions de condensation et de raréfaction. Ainsi l'air, invisible en soi, se condenserait sous l'effet de basses températures et produirait ainsi l'eau, la terre et la matière solide en général ; en se raréfiant sous l'effet de la chaleur, il donnerait naissance au feu. Empédocle (vers 493-433 av. J.-C.), philosophe grec Les fragments qui subsistent de ses deux poèmes philosophiques (Purifications, et De la nature), permettent de reconstituer la philosophie d'Empédocle. Dans ses oeuvres, il affirmait que toute chose se compose des quatre principaux éléments (ou "racines" ): terre, air, feu et eau. Deux forces actives et opposées, l’Amour et la Haine, ou l’Amitié et la Discorde, sont à l’oeuvre dans ces éléments, les combinant et les séparant en une pluralité infinie de formes.

LA THEORIE DE DÉMOCRITE Démocrite d'Abdère (vers 470-370 av. J.-C.),disciple du philosophe grec Leucippe (vers 460-370 av J.-C.), expliquait l'univers autour de 2 principes : Le vide dans lequel se déplacent les particules de matière pure Le plein, atomos () constitué de particules de matière pure : les atomes ou corpuscules. Selon Démocrite, les "atomes" : se déplacent au hasard dans le vide, se heurtent mutuellement, puis se rassemblent, en formant des figures pouvant elles-mêmes entrer dans la composition d’objets plus complexes. sont tous identiques. Ce qui distingue une substance d'une autre est l'arrangement des atomes. sont : ► invisibles à cause de leur extrême petitesse  ► insécables   ► pleins   ► éternels car parfaits  ► entourés d'un espace vide (pour expliquer le mouvement et les changements de densité)  → ont une infinité de formes (pour expliquer la diversité observée dans la nature) 

DÉMOCRITE BATTU EN BRÈCHE PAR ARISTOTE Aristote (384 – 322 av. J.-C.) croyait que la matière était continue, qu'elle avait horreur du vide. C'est la théorie de la continuité. Dans ce modèle, toute matière pouvait être théoriquement divisée indéfiniment (en entités continues de plus en plus petites). Théorie d'Aristote on trouverait quatre qualités dans la nature : la chaleur, le froid, l'humidité et la sécheresse. Les quatre éléments, terre, eau, air et feu, auxquels il ajoute un cinquième élément, plus volatil que le feu, l'éther, auraient chacun deux de ces qualités : Par exemple, le feu serait chaud et sec, l'eau humide et froide ... Ces éléments et leurs propriétés se combineraient dans différentes proportions pour former les constituants de la Terre. Comme on peut modifier l'importance de chaque propriété dans un élément, ces derniers devraient pouvoir être transformés l'un en l'autre. Ainsi, le plomb pourrait être transmuté en or. La théorie présentée par Démocrite serait donc fausse parce qu'elle impliquait que l'âme humaine était formée en partie de vide. ARISTOTE devient le plus influent des philosophes grecs. Du fait de l'omniprésence de la religion, la théorie d'Aristote dominera la philosophie naturaliste et la pensée scientifique jusqu'au 18e siècle …. presque deux millénaires après sa mort.

JOHN DALTON, UN PONT ENTRE L'ANTIQUITÉ ET LA CHIMIE MODERNE Tout comme, au niveau du système solaire, il fallut en effet attendre Galilée pour que la théorie de l'héliocentrisme supplante la théorie géocentrique qui mettait la Terre au centre de notre Univers, il faudra attendre John DALTON, au début du XIXème siècle pour que renaisse de ses cendres l'atome de Démocrite. Il faudra attendre les années 1780 et le développement de la théorie des éléments chimiques par Lavoisier pour que la théorie atomique puisse se développer, l'atome devient une véritable hypothèse scientifique. En 1803, le physicien britannique John Dalton (1766-1844) combine les idées de Démocrite et de Lavoisier afin de décrire les réactions chimiques. Il considère que la matière est faite d'atomes. Contrairement aux atomistes grecs pour qui tous les atomes étaient identiques, Dalton a l'idée d'associer un atome différent à chaque corps simple, et de les représenter par un symbole, chaque "atome" ayant une masse propre. Lors d'une réaction chimique, ces atomes de forme sphérique, pleine, et ayant la propriété d'être insécables, peuvent se combiner avec d'autres atomes, mais ne sont jamais détruits. Il décrit ainsi le premier modèle historiquement connu sous le nom de "Modèle de Dalton". Cependant l'existence des atomes est à cette époque loin d'être une certitude puisque qu'aucune expérience ne permet alors de la démontrer … les scientifiques de l'époque, sans preuve expérimentale, n'adhèrent pas encore au modèle proposé par J. DALTON

FIN DU XIXème SIÈCLE OU L'AVÈNEMENT DE LA CHIMIE MODERNE La fin du 19ème siècle et le début du 20ème signent l'explosion des découvertes dans le domaine de l'infiniment petit en particulier. La constitution de la matière s'éclaire d'un jour nouveau par entremise de chimistes illustres parmi lesquels : J.J. THOMSON Henry BECQUEREL Sir Ernest RUTHERFORD James CHADWICK Pierre et Marie CURIE (leur nom est essentiellement lié à la radioactivité)

L'ATOME EST SÉCABLE OU LA DÉCOUVERTE DE J.J. THOMSON Dans une enceinte remplie de vide, une "cathode" chauffée émet un rayonnement. Jean Perrin, en 1895, postule l'existence de particules électriquement chargées, très légères. Joseph Thomson (1856-1940) montre que ce "pinceau de lumière" est dévié lorsqu'il passe entre deux plaques métalliques chargées : il ne s'agit donc pas d'une "onde" (qui ne peut être déviée) mais bien de particules négatives, il les baptise "électron" cathode

L'ATOME EST SÉCABLE OU LA DÉCOUVERTE DE J.J. THOMSON Le mot "elektron" en grec signifie ambre, la résine fossilisée des sapins verts, un "matériau plastique" naturel déjà connu des grecs anciens. Il est bien connu que lorsque de l'ambre est frotté par un chiffon sec (cela produit ce qu'on appelle maintenant de l'électricité statique), il peut attirer des objets légers, comme des morceaux de papier. En 1897 il parvient à mesurer le rapport de la masse de l’électron sur sa charge. La valeur qu’il obtint était comprise entre 0,4.108 et 0,6.108 g.C1 (les expériences modernes donnent 0,569.108 g.C1). Si cette expérience confirmait de façon éclatante l’existence des électrons, il n’en demeurait pas moins que les valeurs de la masse et de la charge de l’électron restaient inconnues. mélectron qélectron En 1904, THOMSON propose un premier modèle d'atome, surnommé depuis "le pudding de Thomson". Il imagine l'atome comme une sphère remplie d'une substance électriquement positive et fourrée d'électrons négatifs "comme des raisins dans un cake".

HENRI BECQUEREL ET LA RADIOACTIVITÉ Henri BECQUEREL, naît à Paris en 1852. En 1895, suite à la mise en évidence des rayons X par l'Allemand Rœntgen , il décide de s'attaquer au problème des radiations. Becquerel choisit de déposer des lames de sels d'uranium sur une plaque photographique et expose le tout au soleil, pensant que la lumière permet la radiation par excitation de la matière. Les premiers développements de plaques lui montrent la présence de légères impressions. Il croit alors avoir trouvé le phénomène recherché. Le 26 février 1896, le beau temps n'est pas au rendez-vous et le dispositif reste enfermé dans un placard. Le 1er mars, avant de reprendre ses expériences, Becquerel vérifie l'état de son matériel et se rend compte que les plaques sont très fortement impressionnées. En l'absence de lumière, la seule explication possible est celui d'un rayonnement provenant de l'uranium : la radioactivité est née, il est possible de casser les atomes. Becquerel continue à travailler sur le phénomène et met notamment en évidence les rayons alpha (noyau d'hélium) et bêta (électrons). En 1903, il partage le prix Nobel de Physique avec Pierre et Marie Curie

UN NOUVEAU PAS VERS LA STRUCTURE MODERNE : RUTHERFORD 1911 : l'expérience Des particules  * émises par une source de radium radioactive (enfermée dans un boîtier en plomb) se propagent sans déviation. Si on interpose une très mince feuille d'or (0,6m) sur le trajet des particules : Source de particules  Tache lumineuse Boîte en plomb Particules  Écran fluorescent * Particules  : particules très légères chargées positivement, ce sont des ions He2+

UN NOUVEAU PAS VERS LA STRUCTURE MODERNE : RUTHERFORD Si on interpose une très mince feuille d'or (0,6m) sur le trajet des particules La grande majorité des particules n’est pas déviée seul un très petit nombre ( 1 sur 10 000) se trouvent dévié D’autres encore (de 1 sur 20 000 à 1 sur 30 000) rebondissent, et sont renvoyées vers l'arrière.

CE QU'EN A PENSÉ RUTHERFORD RUTHERFORD observa, que la majorité des particules alpha n'étaient pas déviées et que certaines autres particules l'étaient faiblement. Le modèle de JJ Thomson expliquait partiellement l'observation Un très petit nombre de particules alpha étaient très fortement déviées et ne passaient pas la feuille d'or. Ce dernier phénomène n'était pas prévisible, selon le modèle J.J. Thomson. Ce qui amena RUTHERFORD à penser que le modèle de Thomson n'était pas bon et qu'il fallait donc en formuler un autre.

L'EXPLICATION DE RUTHERFORD Selon lui, le fait que la majorité des particules alpha n'étaient pas déviées, était dû à ce que celles-ci ne rencontraient pas de matière. Donc, l'atome était en majorité composé de vide. Vu qu'un faible nombre de particules étaient fortement déviées, il pensa qu'elles avaient heurté un bloc massif, au centre de l'atome qu'il nomma "noyau". Comme ce type de déviation extrême était très rare, il supposa que le "noyau" avait des dimensions très faibles par rapport à l'atome tout entier. Cette dernière supposition s'affirma particulièrement juste, car il fut prouvé, depuis ce temps que le diamètre du noyau mesure environ 1/100 000 celui de l'atome. Il détermina également que les faibles déviations subies par certaines particules étaient dues au fait que le noyau était chargé positivement et que les particules alpha étant elles aussi positives, étaient repoussées. Voilà à quoi ressemblait l'atome de Rutherford : un noyau très dense et positif, entouré d'électrons de charge négative qui se déplacent dans un espace plus important que celui occupé par le noyau.

SUITE DE LA SAGA : JAMES CHADIWCK RUTHERFORD a donc mis en évidence la structure de l'atome avec son noyau (>0) et ses électrons (<0) Il établit que la charge du noyau est toujours un multiple entier de la charge du noyau de l'atome d'hydrogène (le plus petit et le plus simple) En 1919 donne le nom de "proton" au noyau de l'atome d'hydrogène En 1932 le noyau livre une nouvelle bataille…. James CHADWICK (1891-1974) montre que le noyau est lui aussi sécable qu'il comporte Des particules chargées >0 (mais ça on le savait déjà) Des particules de même masse mais dépourvues de toute charge qu'il baptise NEUTRON

QUE SAVONS NOUS MAINTENANT Tous les atomes sont formés par : des électrons qui sont des particules chargées négativement, extrêmement légères et totalement insécables un noyau qui est sécable, et qui contient Des protons chargés positivement et beaucoup plus lourds que les électrons Des neutrons aussi lourds que les protons mais dépourvus de charge Les protons comme les neutrons sont des particules divisibles en particules appelées "quark" 4 types de particules insécables, dites fondamentales, permettent de reconstituer n'importe quel atome

FIN