De l'atome aux particules élémentaires

Dans l'Antiquité, les philosophes grecs cherchent d'abord l'origine de la matière dans les quatre éléments : l'eau, l'air, le feu et la terre. Par la suite, Anaxagore postule que toute chose est composée de «graines indivisibles» que Démocrite appelle «atomes» (du grec «insécable»).
Dans cette vision, l'atome est le constituant ultime de la matière : chaque objet est un dosage précis de ses différentes espèces ; l'âme elle-même est un assemblage d'atomes particuliers. Cet équilibre est fragile : lorsqu'il se brise, l'être vivant meurt, l'objet se désagrège. Ses atomes sont alors libérés et peuvent s'associer dans une autre structure.
Cette vision matérialiste du monde ne nécessite aucune intervention divine. Aussi, lorsque le christianisme s'étend dans l'empire romain, l'atomisme est peu à peu délaissé au profit d'autres doctrines.

Pourtant, c'est un homme d'église français, Gassendi, qui remet l'atome sur le devant de la scène au XVIIe siècle. L'heure n'est plus aux dogmes : chaque théorie doit s'appuyer sur l'observation et ses prédictions doivent être vérifiées par l'expérience. Les chimistes étudient les propriétés des gaz selon cette méthode et découvrent des composants élémentaires, sources de toute substance : les éléments chimiques, ou atomes.

A la fin du XIXe siècle, la chimie s'appuie sur la notion de molécule, assemblage d'atomes dans des proportions immuables. Leur existence est prouvée en quelques années, par l'étude des liquides et des cristaux.
Si l'on observe au microscope de l'eau contenant des pollens en suspension on voit que ces particules s'agitent en tous sens – c'est le « mouvement brownien », du nom d'un botaniste anglais du XIXe siècle. Ces particules entrent en permanence en collision avec les molécules du liquide, comme des boules de billard. Chaque choc dévie leur trajectoire, ce qui lui donne son aspect erratique. Cette explication, proposée par Einstein en 1905 est pleinement validée par l'expérience.
En 1912, un physicien allemand, Von Laue, a l'idée d'éclairer des cristaux avec une lumière particulière, propre à révéler leur structure. Cette fois-ci, on voit vraiment les atomes, malgré leur taille minuscule : environ un dixième de millionième de millimètre !

Exemple de trajectoire de mouvement brownien dessinée par Jean Perrin.
© DROn en sait alors déjà beaucoup sur l'atome : en particulier, on a identifié sa sous-structure. Bien loin d'être la brique insécable des philosophes antiques, il est formé d'un noyau central, chargé positivement, entouré d'un nuages d'électrons chargés négativement ; ainsi, l'atome est neutre. Le noyau est minuscule : il n'occupe qu'un cent millième du volume de l'atome mais il en concentre toute la masse.
En 1909, Rutherford met en évidence ce noyau en envoyant des ions d'hélium sur une fine feuille d'or. La plupart des ions la traverse sans aucun problème : à l'échelle microscopique, la matière est majoritairement faite de vide ! Par contre, une faible fraction des particules repart en sens inverse : elles sont entrées en collision avec un objet à la fois massif et petit, le noyau atomique.

Depuis cette époque, la physique des constituants élémentaires s'est beaucoup développée, toujours motivée par le désir d'identifier la structure ultime de la matière. Alors que l'électron nous semble ponctuel et insécable (littéralement, un «atome» !), le noyau est formé de deux « nucléons », le neutron et le proton, eux-mêmes faits de trois «quarks». C'est à ce niveau que notre connaissance s'arrête aujourd'hui : on ne sait pas s'il existe une structure à l'intérieur de ces «quarks». Répondre à cette question est un des enjeux de la physique du XXIe siècle.

01.Les pionniers

De quoi le monde est-il fait ? L'explication de l'existence de la nature a d'abord été traitée par les religions qui répondaient à ce type de question en faisant appel au surnaturel : des êtres exceptionnels, dieux, titans, esprits, etc., donnent naissance, forme et vie au monde actuel.
Au VIe siècle avant notre ère, les philosophes de Milet (une colonie grecque en Asie Mineure) Thalès, Anaximandre et Anaximène tentèrent, pour la première fois, de proposer une explication différente, poussés par la curiosité et l'observation de la nature (physis en grec), qui allait conduire à l'idée de l'atome.

Thalès de Milet affirma que «l'eau est la cause matérielle de toutes les choses», choix sans doute dicté par des intérêts météorologiques. Son élève Anaximandre suggéra que le monde avait été créé à partir d'une substance qu'il nomma «to apeiron» (l'indéterminé ou l'infini en grec).

Carte de l'Asie Mineure. Milet est à l'Est entre Ephèse et Halicarnasse.
© ElémentaireEnsuite Anaximène affirma que le principe premier était plutôt l'air. Toujours sur la côte d'Asie Mineure, à Ephèse, Héraclite imagine le concept du Devenir (d'évolution) comme étant au centre des choses : «Ta panta rei, ouden menei», fameuse phrase qui signifie en grec «tout varie, rien ne perdure». Il considérait le feu comme élément primordial, à la fois matière et force motrice. La position de Héraclite s'opposait de façon substantielle à celle de Zénon et de Parménide d'Elée (colonie grecque dans le Sud de l'Italie), selon qui, tout ce qui existe a toujours existé et ne peut pas disparaître, tout est fait d'«être» et le «néant» n'existe pas.
C'est Empédocle, d'Agrigente, colonie de la Magna Grecia, au sud de la Sicile, qui proposa une solution à multiples acteurs: l'univers est conçu comme une combinaison de constituants fondamentaux : la terre, l'eau, le feu et l'air, gouvernés par deux forces fondamentales, la haine et l'amour. Selon Anaxagore d'Athènes toutes les choses sont composées de «graines indivisibles». Ces sont des graines d'une diversité infinie. Etant mélangées et puis séparées à nouveau, c'est ainsi que se produit tout changement. Il disait «(...) il y a quelque chose de chaque chose dans toutes les choses». Les graines se trouvent dans tout, seule leur proportion change d'une chose à l'autre et la force qui organise et crée la matière est le «nous» (l'intellect en grec).

De gauche à droite : Démocrite d'Abdère, Epicure et Lucrèce.
© Elémentaire

L'atomisme

Dans cette théorie, les atomes sont petits, multiformes, élémentaires et pleins, puisque le cas contraire impliquerait une sous-structure. En dehors des atomes, il n'existe que du vide qui n'est pas le néant, puisque les atomes s'y meuvent.
Les atomes soumis à la pesanteur commencent à tomber comme les gouttes de la pluie, parallèles les unes aux autres. Si rien ne les dévie de leur parallélisme ils ne se rencontrent jamais. Mais justement, chaque atome peut avoir une certaine inclinaison (clinamen) ce qui lui permet de dévier des trajectoires droites et de pouvoir entrer en collision avec ses voisins. Lors de ces rencontres, un assemblage peut en découler, un peu comme un puzzle : les atomes peuvent s'agréger, ou pas, suivant leurs formes, les positions et le mouvement, suivant ce qu'on appelle «symmetria», la symétrie. Les atomes crochus et pointus donneront naissance aux matériaux durs, les atomes ronds composeront les liquides et les plus légers contribueront à la formation de l'air et du feu. Si les atomes sont sans saveur ni odeur, leurs agrégations en ont : une fois de plus les assemblages d'atomes pointus seront amers ou salés, ceux d'atomes ronds seront au contraire doux ou sucrés.

Les atomes légers sont aussi à l'origine de l'âme (anima en latin), caractéristique des êtres vivants. Parmi les vivants, seul l'homme est doté d'esprit (animus en latin), localisé dans la poitrine et fabriqué par des atomes encore plus légers et plus mobiles.
Après un certain temps, il arrive que les ensembles se défassent et que les atomes s'éloignent les uns des autres : c'est alors la mort de l'être, provoquée par rupture de la symétrie. Les atomes repartent alors dans le vide dans des mouvements toujours aléatoires et imprévisibles. Ils peuvent recréer des structures au coin d'une rencontre : ainsi, on peut avoir des mondes successifs dans le temps qui ne se ressemblent pas.
Suivant les atomistes, le monde est alors matériel, l'esprit et l'âme aussi. Les dieux, s'ils existent, n'interviennent en rien ni dans la nature, ni sur la destinée des hommes. La nature peut mourir et renaître suivant le mouvement des atomes qui la composent. On comprend bien pourquoi à partir du IVe siècle après JC, lorsque le christianisme a été établi comme religion d'état de l'empire romain, cette théorie a été vouée à l'oubli, au profit d'autres courants philosophiques.

02.Retour de l'atome au premier plan au XVIIe

Pierre Gassendi était mathématicien, philosophe et astronome (1592-1655).
© ElémentaireDe façon paradoxale, l'atomisme fait un «come-back» triomphant grâce à un homme d'église, Pierre Gassendi. En 1624, il rédige les « Excercitationes Paradoxicae Adversus Aristoteles » attaquant les théories d'Aristote et, en 1647, il publie un livre considéré comme étant à l'origine de la renaissance de l'atomisme, « Sur la vie et le caractère d'Epicure ». Cette vue des choses était à l'époque toute contraire au dogme ecclésiastique qui suivait les enseignements d'Aristote, de Saint Augustin et de Saint Thomas d'Acquin concernant la création, l'immobilité du Cosmos et le système géocentrique. Avec un télescope galiléen, Gassendi a fait de multiples observations du ciel nocturne, toutes rapportées dans un carnet de notes de 400 pages. Le rôle de Gassendi dans le changement des mentalités scientifiques de l'époque, en particulier en astronomie, a été reconnu par Isaac Newton qui le classe parmi les «géants».
À partir de Galilée et de Newton, la science est basée sur l'étude détaillée de la Nature mais aussi sur le principe qu'on ne peut croire en rien qui ne puisse être vérifié. Ce besoin de vérification expérimentale est un concept nouveau, puisqu'il était absent chez les philosophes grecs, qui posaient leurs idées sous forme de postulats ne nécessitant pas de démonstration.

Les chimistes et les atomes

À partir du XVIIe siècle, les chimistes préparent le terrain pour une nouvelle conception de la structure de la matière, basée sur les atomes. Tout d'abord, Robert Boyle, physicien et chimiste irlandais, pose les bases des méthodes scientifiques modernes en affirmant qu'aucune théorie ne peut être considérée comme valable si elle n'est pas confirmée par l'expérience. Son œuvre « The Sceptical Chemist » peut être considérée comme la première publication scientifique moderne.

Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794)

Portrait du père de la chimie moderne (1743-1794).
© ElémentaireEnsuite, le chimiste français Antoine-Laurent Lavoisier montre, à l'aide de balances de précision, que les «composés» (aujourd'hui appelés «molécules») sont constitués de plusieurs éléments. Il postule également sa célèbre loi qui affirme que la quantité de matière est égale avant et après toute réaction chimique. A la même époque, un autre chimiste français, Joseph Gay-Lussac, fait une découverte fondamentale : lorsque l'hydrogène (découvert par le chimiste anglais Henry Cavendish en 1766) et l'oxygène se lient pour former de l'eau, ils suivent toujours les mêmes proportions. Les éléments chimiques sont donc des constituants de base, à l'origine de tous les corps composés.
Au début du XIXe siècle, l'anglais William Prout émet l'hypothèse que la masse de tout atome est un multiple entier de celle de l'atome d'hydrogène. Poursuivant dans cette direction, John Dalton associe les notions d'atomes et d'éléments chimiques : chaque élément est formé d'un seul type d'atomes, tous identiques. Cette hypothèse lui permet de mesurer le poids de différents atomes, publiés ensuite pour la première fois sous forme de « tableau des poids atomiques des éléments ».

À l'époque de Dalton, on connaît environ une vingtaine d'éléments. Si des expériences, toujours plus précises, permettent de mieux connaître leurs propriétés, elles soulèvent également un certain nombre de questions. La principale interrogation est la suivante : pourquoi des éléments ayant des poids très différents ont des propriétés chimiques très similaires ?
Pour y répondre, le chimiste russe Dimitri Ivanovich Mendeleïev propose en 1869 un nouveau système de classification des éléments : « la Table Périodique ». Dans ce tableau, les éléments sont ordonnés par poids atomique croissant. L'adjectif «périodique» provient de son mode de rangement qui prend en compte diverses observations expérimentales faites aux XVIIIe et XIXe siècle, montrant que certaines propriétés physiques et chimiques reviennent «périodiquement» quand on suit la liste des éléments chimiques ainsi classés.

Le tableau périodique des éléments représente tous les éléments chimiques, groupés par leur numéro atomique.Les éléments d'une même colonne forment une famille ; on sait maintenant que leur point commun est d'avoir un nombre identique d'électrons sur la couche la plus faiblement liée au noyau ce qui explique – a posteriori – pourquoi ces éléments sont très proches d'un point de vue chimique, les échanges d'électrons gouvernant toute la chimie. Sur une même ligne du tableau de Mendeleïev, on parle de période, on passe d'un élément au suivant en ajoutant un électron dans la couche la plus externe. Ce qui est remarquable, c'est que Mendeleïev a proposé sa classification en lignes et colonnes en se basant simplement sur des observations expérimentales, bien avant que l'explication de ces comportements en terme d'électrons ne soit découverte !

Depuis cette époque, le tableau de Mendeleïev s'est enrichi de dizaines de nouveaux éléments, naturels ou artificiellement créés en laboratoire – le 101ème, synthétisé en 1957, s'appelle «Mendélévium».

03.Comment voir un atome ?

Depuis les travaux des chimistes du XIXe siècle, la notion d'atome était bien établie ; encore restait-il à les compter, à les « voir ». Nous allons parler ici d'observations, telles que le mouvement brownien et la diffusion des rayons X, qui ont permis d'affirmer que la matière était constituée d'atomes et surtout d'en déterminer leur taille et leur nombre.

Le mouvement brownien, ou «comment voir des petits avec des gros»

Exemple de trajectoire de mouvement brownien dessinée par Jean Perrin.
© ElémentaireLe mouvement brownien a peut-être été observé pour la première fois en 1785 par Jan Ingenhousz puis par de nombreux naturalistes, mais on attribue à Robert Brown, un botaniste écossais, une étude systématique de son origine, en 1827. Alors qu'il s'intéressait aux mécanismes de fécondation des plantes à fleurs, il nota le mouvement erratique de particules situées à l'intérieur de grains de pollen, en suspension dans de l'eau. Ce type de mouvement était déjà connu et attribué à une propriété générale de la matière vivante (ou bien à des artefacts de la mesure comme par exemple des mouvements du fluide). R. Brown montra que ce mouvement d'agitation de particules, dont la taille doit être suffisamment petite (de l'ordre d'un micron, un millième de millimètre) pour être observé, se produisait aussi bien avec des tissus, vivants ou morts, qu'avec des particules minérales.

Les premières explications de cette agitation incessante et infatigable, comme résultat de collisions des particules en suspension avec les molécules du milieu furent données, indépendamment, par A. Einstein (1905) et M.V. Smoluchowski (1906). Une théorie plus complète fut élaborée par P. Langevin en 1908. On peut remarquer qu'en 1900, le mathématicien L. Bachelier avait, dans un tout autre contexte, obtenu également la loi du mouvement brownien dans sa thèse intitulée: « La théorie de la spéculation ». Le prix d'une action évolue en effet à la suite des mouvements indépendants à la baisse ou bien à la hausse initiés par les nombreux possesseurs d'actions.

Jean Perrin (1870-1942) était physicien. Il reçut le prix Nobel de Physique en 1926 pour ses travaux sur l'atome.
© ElémentaireEn 1912, Jean Perrin dessina la trajectoire de tels grains en repérant leur position à intervalles de temps réguliers. Il obtint une ligne brisée, sans direction privilégiée. En fait, même si on augmente la fréquence des mesures on trouve toujours une trajectoire ayant la même complexité, pleine de changements de direction, sans régularité ni périodicité ; c'est une courbe fractale. Si l'on repère la position d'un corpuscule à partir d'une position origine, on observe que la distance parcourue est, en moyenne, proportionnelle à la racine carrée du temps d'observation. Il s'agit d'une propriété, maintenant classique, des phénomènes de diffusion. Après de nombreux essais infructueux pour définir les "bonnes" quantités décrivant le mouvement brownien et ses multiples variations, c'est finalement Einstein qui introduisit cette distance de parcours et montra son intérêt. Jusqu'alors les physiciens s'intéressaient à la vitesse des particules, opération sans espoir puisque l'on ne peut pas la définir pour ce type de mouvement (on dit encore que la trajectoire n'est pas régulière). À partir de ces mesures, ainsi que par d'autres approches (en particulier une étude de la sédimentation), J. Perrin obtint la valeur du nombre d'Avogadro qui correspond au nombre de molécules présentes dans une mole de matière

04.La diffusion par rayons X

La diffusion des rayons X par des cristaux a été le premier moyen direct de « voir » que ces derniers étaient formés par des arrangements réguliers d'objets plus petits : les atomes. Max von Laue, spécialiste des ondes lumineuses, eut l'idée d'utiliser des cristaux pour faire office de réseau de points avec lesquels devraient interagir les rayons X. En 1912, une première expérience fut réalisée à l'Institut de Physique Théorique de Munich, avec des cristaux de sulfate de cuivre et montra que les rayons transmis s'accumulaient bien dans des directions privilégiées.
William et Lawrence Bragg, respectivement père et fils, reprirent et développèrent les travaux de von Laue. Ils définirent des méthodes pour reconstruire la structure cristalline à partir des diagrammes de diffusion des rayons X. Le prix Nobel de physique fut attribué à von Laue en 1914 et à la famille Bragg en 1915, pour ces recherches.

Les noyaux : petits mais costauds ; la découverte du noyau atomique

H. Geiger (à gauche) et E. Rutherford (à droite) à côté de l’appareillage ayant permis de montrer la présence d’un noyau petit et massif situé au centre des atomes.
© ElémentaireLa découverte du noyau de l'atome est attribuée à Ernest Rutherford, Hans Geiger et leur étudiant Ernest Marsden. Les mesures eurent lieu en 1909 à Manchester. L'expérience consistait à mesurer la diffusion des particules alpha par une feuille d'or. A partir de ses résultats, Rutherford et ses collaborateurs firent plusieurs découvertes. Tout d'abord, ils identifièrent la présence d'un objet minuscule, environ cent mille fois plus petit que l'atome lui-même, mais très lourd et situé au centre de ce dernier : le noyau. Ils comprirent également que le noyau était chargé positivement. Finalement, ils donnèrent une limite supérieure sur la taille d'un atome, leur expérience n'étant pas assez sensible pour la déterminer directement.

Avant cette date Jean Perrin, remarquant qu'il était difficile pour des atomes d'argon, d'entrer en rotation lors de chocs, en avait déduit que la masse de l'atome devait être concentrée dans une très petite région. « En définitive je présume qu'on reste au-dessous de la vérité en admettant que la matière des atomes est contractée dans un volume au moins un million de fois plus faible que le volume apparent qu'occupent ces atomes… »
Personne n'eut, semble-t-il, de prix Nobel pour la découverte du noyau atomique…

L'atome aujourd'hui

Si la notion d'atome remonte à l'Antiquité, ce n'est qu'au début des années 1900 que l'on a su mesurer leur taille et déterminer combien une quantité donnée de matière en contenait. Cependant, alors que l'on commençait à mesurer ses propriétés, on s'aperçut que l' «atome» ne portait pas bien son nom (en grec, le mot signifie « insécable »), puisqu'il était formé d'objets plus élémentaires : l'électron et la radioactivité venaient d'être découverts. Actuellement les constituants élémentaires s'appellent «quark» et «lepton» et toute la matière (ou presque) résulte de l'association de trois de ces objets liés par des « photons » et des « gluons ».