L’atome, un pas vers l’infiniment petit …

On doit au physicien danois Niels Bohr la description moderne de la structure de l’atome. Cette description bousculait les conceptions que l’on en avaient vers 1900 et qui étaient héritées des philosophes grecs et romains. L’atome était imaginé comme un objet abstrait inseccable et plein.

Les découvertes de la radioactivité, celle de l’électron par Thomson, puis celle du noyau par Rutherford bouleversèrent non seulement cette vision des choses, mais aussi les lois de la physique appliquées à l’infiniment petit.

Selon la mécanique classique, les électrons devaient rayonner de l’énergie et s’écraser sur le noyau que Rutherford venait de découvrir. En 1913, Bohr postula l’existence de niveaux d’énergie des électrons. Le modèle de Bohr, complété plus tard par l’équation de Schrödinger, a contribué énormément aux développements de la physique atomique.

L’atome, qu’on imagine volontiers comme une sphère pleine, est en réalité composé surtout de vide. Frédéric Joliot le compara un jour « à un pépin d’orange placé sur l’obélisque de la Concorde avec des poussières tournant autour à la distance de l’Hôtel Crillon ».

Frédéric Joliot avait raison. Une caméra, capable de saisir au vol les mouvements dans l’atome, montrerait en son centre un noyau (le pépin), des électrons aux alentours (les poussières), et du vide. Ces minuscules électrons se déplacent si vite qu’en une fraction de seconde, ils parcourent un très grand nombre de fois l’espace qui entoure le noyau. C’est ainsi que nous avons l’impression que l’atome est plein.

Le noyau est lui-même composé de particules, des nucléons, qui se répartissent en deux espèces : les protons et les neutrons. Les nucléons sont deux mille fois plus lourds que l’électron. Tous les noyaux ne sont pas stables. C’est au sein de ceux qui sont instables que se produit la radioactivité.

Le phénomène de la radioactivité qui se produit au cœur de l’atome est un phénomène de l’infiniment petit. Il faut garder à l’esprit l’extrême petitesse des atomes et leur très grand nombre.

Un monde régi par les lois de la mécanique quantique ….

A son échelle, non seulement l’atome apparaît composé de vide mais il suit ses propres lois. Par exemple, il possède une structure en couches à laquelle nous nous sommes familiarisé mais qui est étonnante. Les électrons occupent des niveaux d’énergie bien déterminés et ne parcourent pas n’importe quelle orbite. Le noyau, beaucoup plus petit, a aussi des niveaux d’énergie. Les niveaux d’énergie des électrons et du noyau ne sont pas expliqués par la physique classique qui est inadaptée pour décrire l’infiniment petit. Le comportement des particules dans l’atome sont régies par les lois de la mécanique quantique.