Le monde atomique

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

Révision éditoriale 2026

L’atome de Bohr

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 l’électron, du noyau et de la radioactivité bouleversèrent cette vision des choses. Il s’est ainsi avéré que non seulement les atomes sont composés de particules encore plus petites, mais qu’ils sont susceptibles de se transformer spontanément. Ceci a profondément modifié notre compréhension des lois de la physique s’appliquant à l’infiniment petit. La découverte de l’électron par Thomson mena à un premier modèle d’atome composite où une matrice de charge électrique positive était « truffée » d’électrons de charge négative. Rutherford a plus tard mis en évidence que la partie de charge positive, beaucoup plus massive que les électrons, était en fait concentrée dans une très petite région au centre de l’atome : elle constitue le noyau atomique.

Ainsi, 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 ».

Selon cette image, si une caméra était capable de saisir au vol les mouvements dans l’atome, elle 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.

Lorsqu’il s’est avéré que l’atome se composait d’un noyau avec un cortège d’électrons tournant autour, un problème s’est posé pour la mécanique classique : les électrons devaient rayonner de l’énergie et s’écraser sur le noyau. Pour résoudre cette situation, en 1913, Bohr postula que les électrons ne peuvent avoir que certaines valeurs d’énergies : autrement dit, leur énergie est quantifiée… Le modèle de Bohr, complété plus tard par l’équation de Schrödinger, a contribué énormément aux développements de la physique atomique.

Niveaux d’énergie et photons

L’atome de Bohr est donc un nouveau monde régi par les lois de la mécanique quantique. Les électrons y occupent des orbites spécifiques, organisées en couches. Ils ne peuvent passer de l’une à l’autre que sous certaines conditions. Lorsqu’un électron se déplace vers une couche d’énergie inférieure, l’énergie en excès est évacuée sous forme de rayonnement : elle est emportée par une particule, le photon. Du fait de la quantification des niveaux, l’énergie des photons émis est caractéristique de l’atome émetteur.

De nouveaux ordres de grandeur

On parle volontiers d’« infiniment petit » pour parler du monde atomique et subatomique, en raison des échelles impliquées qui sont extrêmement différentes de celles qui nous sont accessibles au quotidien. Ces quantités extrêmes concernent la taille des atomes, le nombre d’atomes contenus dans un objet ordinaire, et l’énergie associée aux processus atomiques. Pour celle-ci, une unité adaptée est utilisée, l’électron-Volt (eV).

Et la radioactivité ?

Le phénomène de la radioactivité est un phénomène de l’infiniment petit, qui se produit au cœur de l’atome, dans le noyau atomique (détaillé dans une autre section). Comme l’atome, le noyau a lui-même des constituants et une structure. Il se compose de nucléons, protons et neutrons. Certaines combinaisons de neutrons et protons forment des noyaux instables, qui vont se transformer spontanément en émettant des particules : c’est la radioactivité.

De plus, les nucléons s’organisent au sein du noyau en différents niveaux d’énergie, comme le cortège d’électrons de l’atome. Une transition vers une énergie plus basse au sein du noyau donne aussi lieu à l’émission de photons, avec une énergie beaucoup plus élevée que pour une transition atomique : ce sont les rayons gamma.

Toutefois, une seule désintégration ou désexcitation de noyau donne lieu à une libération d’énergie très petite. La nocivité d’un échantillon radioactif dépend du nombre de désintégrations qui s’y produisent par seconde. Pour appréhender ces questions, il faut garder à l’esprit l’extrême petitesse des atomes et leur très grand nombre.