Du nuage électronique dépend la diversité matérielle.
Propriétés chimiques de l'atome
Les électrons du nuage électronique d’un atome ne peuvent se comporter n’importe comment. S’il n’est pas possible de leur assigner des trajectoires bien définies,
on peut en revanche décrire l’état dans lequel chacun se trouve grâce à quatre propriétés : leur énergie, leur
moment cinétique, la projection de ce moment cinétique sur une direction donnée et leur spin.
La structure du nuage électronique qui résulte de la distribution de ces propriétés a deux conséquences.
- La première est la répartition des symboles chimiques dans le tableau de Mendeleïev.
- La seconde est la nature des propriétés chimiques des différents éléments.
Certaines configurations de nuages électroniques sont particulièrement stables. De tels atomes ne réagissent pas chimiquement, ils sont
inertes.
Ce sont les atomes des gaz rares dont les symboles sont écrits dans la colonne la plus à droite du tableau de Mendeleïev.
Manipulations chimiques sur une rampe à vide. © C. Dupont/CEA
Le MesoXcope est un microscope à émission de photoélectrons, qui permet d’étudier la chimie et la structure électronique des surfaces, à haute résolution spatiale (50 nm) et spectroscopique (50 meV). © P. Dumas/CEA
Les molécules de l’aspirine (image 1) et du paracétamol (image 2) se ressemblent beaucoup. Elles sont toutes deux composées d’atomes de carbone (en gris), d’hydrogène (en blanc) et d’oxygène (en rouge). En bleu, un atome d’azote.
© CEA
Les atomes à proximité des gaz rares tendent à modifier leur nuage électronique de façon à ce qu’il ressemble à celui d’un gaz rare. Pour cela, ils s’ionisent, en gagnant ou perdant un ou plusieurs électrons, ou établissent une
liaison covalente avec d’autres atomes. Ils partagent alors la propriété de certains électrons.
La matière dite «
organique », c’est-à-dire construite autour de la covalence des atomes de carbone, oxygène, azote et hydrogène, est une mine inépuisable de molécules.
Les autres atomes du tableau périodique ont des structures électroniques plus complexes. Ils s’organisent collectivement en s’associant par
liaison métallique. Le métal obtenu est solide à température normale et conducteur de courant électrique.
Propriétés physiques de la matière
Toutes les propriétés physiques de la matière : dureté, malléabilité, ductilité, transparence, couleur, températures de changements d’états, caractère conducteur ou isolant… ainsi que toutes ses propriétés chimiques : acide ou base, oxydant ou réducteur, solvant ou soluté… sont dues aux différents comportements adoptés par les électrons dans les nuages électroniques.
On sait aujourd’hui organiser ces atomes de façon à obtenir des propriétés nouvelles, comme la supraconduction à haute température, des propriétés magnétiques renforcées, une miniaturisation des circuits électriques ou la possibilité d’y stocker de l’information.
Voir et sonder les atomes
De notre échelle à celle du micromètre, il est possible de former des images à l’aide des ondes lumineuses, en utilisant un microscope optique. Pour former les images d’objets plus petits, il faut utiliser des particules, comme des électrons, dont la longueur d’onde associée est plus petite que le micromètre. Le principe des microscopes électroniques est le même que celui des microscopes optiques (par exemple les
microscopes électroniques à balayages MEB).
En poussant leurs performances à l’extrême, les chercheurs sont parvenus à descendre jusqu’à l’échelle atomique (0,1 nm). Depuis le début des années 1980, les microscopes à sonde locale ont vu le jour. Leur principe repose sur l’exploration d’une surface relativement plane par une sonde très fine qui interagit avec les atomes. On peut citer le
microscope à effet tunnel (STM pour Scanning tunneling microscope) qui utilise un faible courant électrique passant entre l’échantillon et une pointe, le
microscope à force atomique (AFM) qui utilise l’interaction mécanique entre l’échantillon et une pointe montée sur levier souple, et le
microscope optique à champ proche qui exploite, à l’aide d’une fibre optique très fine, les ondes évanescentes au voisinage de la surface de l’échantillon.
Un dernier type est apparu récemment : le
microscope à luminescence induite par effet tunnel (STL).
Tous ces microscopes permettent l’étude, à l’échelle atomique, de diverses molécules et de leur comportement sur différents substrats. Il n’est guère possible de former des images des noyaux atomiques. Il est cependant possible d’en produire en calculant la répartition des masses et des charges à l’intérieur des noyaux et en confrontant ces calculs à la mesure de certaines de leurs propriétés.
Les quatre interactions fondamentales
Vidéo
Zoom sur deux instruments qui permettent de caractériser la matière à l'échelle nanométrique : le microscope à effet tunnel et le microscope à force atomique.
Pour rendre compte de tous les phénomènes auxquels ils ont accès, les physiciens ont besoin de ne faire intervenir que quatre forces, qu’ils jugent « fondamentales ». Quelles sont-elles ?
-
La gravitation, bien sûr, identifiée par Isaac Newton il y a plus de trois siècles ;
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l’interaction électromagnétique, identifiée en tant que telle par James Clerk Maxwell dans la seconde moitié du XIXe siècle, et qui rend compte de la cohésion de la matière à notre échelle ;
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l’interaction nucléaire faible, découverte dans les années 1930, qui gère certains processus radioactifs, notamment la radioactivité bêta ;
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l’interaction nucléaire forte - découverte à peu près au même moment que l’interaction nucléaire faible - qui lie très solidement entre eux les constituants des noyaux atomiques.
La gravitation
La gravitation gouverne bien d’autres phénomènes, de la chute des corps au mouvement des planètes. Elle est également à l’origine de la formation des étoiles à partir du gaz primordial, qu’elle oblige à se contracter. Et, grâce à elle encore, les étoiles, une fois formées, s’attirent les unes les autres, formant ainsi des galaxies.
L’interaction gravitationnelle est attractive et de portée infinie (c’est-à-dire que la force qui existe entre deux masses n’est nulle que si ces deux masses sont séparées d’une distance infinie).
Nul écran ne pouvant en stopper l’influence, il est vain d’espérer l’amoindrir ou la supprimer. Mais son intensité est beaucoup plus faible que celle des autres interactions, si bien qu’on peut négliger ses effets à l’échelle des particules, soumises par ailleurs à des forces beaucoup plus intenses.
L’interaction électromagnétique
L'interaction électromagnétique est beaucoup plus intense que la gravitation. Elle agit de façon manifeste autour de nous puisqu’elle fait fonctionner tous nos appareils électroménagers.
Mais à un niveau plus fondamental,
elle assure surtout la cohésion des atomes et des molécules,
gouverne toutes les réactions chimiques et aussi les phénomènes optiques (puisque la lumière est constituée d’ondes électromagnétiques, structurées en photons). À l’instar de l’interaction gravitationnelle, elle a une portée infinie, mais, étant tantôt attractive, tantôt répulsive (selon le signe des charges électriques en présence), ses effets cumulatifs sont annulés à grande distance du fait de la neutralité globale de la matière.
L’interaction nucléaire faible
L'interaction nucléaire faible a une portée très courte, d’environ un milliardième de milliardième de mètre. Autant dire qu’il s’agit, comme la colle, d’une interaction de contact : deux particules ne peuvent interagir par elle que si elles se touchent quasiment. Elle est notamment responsable de la radioactivité bêta, par laquelle un neutron se désintègre en un proton et un électron. Comme son nom l’indique, l’interaction faible est caractérisée par une très faible intensité qui la rend difficile à observer. Mais cela ne l’empêche pas de jouer un rôle capital, notamment dans le Soleil, où elle régit les réactions de fusion des noyaux d’hydrogène.
Si elle disparaissait de l’Univers, notre étoile cesserait de briller…
L'interaction nucléaire forte
L’interaction nucléaire forte est la plus intense des quatre interactions fondamentales, mais elle est restée longtemps cachée. Les physiciens ont deviné son existence dans les années 1930, lorsqu’ils se sont rendus compte que la stabilité des noyaux atomiques avait quelque chose d’étonnant. Puisqu’ils portent des charges électriques de même signe, les protons au sein d’un noyau atomique se repoussent du fait de la force électrique qui tend à les séparer. Et pourtant, ils semblent très solidement attachés les uns aux autres. Par quoi donc est combattue leur répulsion électrique ? Aucune force classique ne pouvait expliquer cette cohésion nucléaire.
De là l’hypothèse, vérifiée depuis, qu’il existe au sein des noyaux atomiques une force très intense, l’interaction nucléaire forte, de portée très courte, environ un millionième de milliardième de mètre…
Cette force agit comme une sorte de glu entre deux nucléons (proton ou neutron) en contact l’un avec l’autre, mais dont la force s’affaiblit très rapidement dès qu’on les écarte un tant soit peu l’un de l’autre. Cela ne l’empêche pas d’être incroyablement puissante. Elle est par exemple capable d’arrêter, sur quelques millionièmes de milliardième de mètres, un proton lancé à cent mille kilomètres par seconde…