Voir aussi : les
semi-conducteurs - propriétés
des corps simples
Fractionner une goutte d'eau en deux parties aboutit à
deux gouttes d'eau plus petites. Mais il arrive un moment où
la plus fine goutte est constituée d'une seule molécule
et couper cette molécule en deux fait que l'on se trouve
en présence non pas d'eau, mais des constituants de la
molécule d'eau : un atome d'oxygène et deux atomes
d'hydrogène.
La molécule
La matière, qu'elle soit
solide, liquide ou gazeuse se compose de molécules qui
sont des groupements d'atomes. Par exemple le chlorure de sodium,
le vulgaire sel de cuisine, est formé d'un atome de sodium
et d'un atome de chlore. Le chlore et le sodium sont deux élements
simples, au même titre que l'hydrogène ou l'oxygène.
Les molécules du gaz hydrogène sont formées
de deux atomes d'hydrogène. Le symbole chimique de l'hydrogène
en tant que gaz est H2, le chiffre 2 indiquant la présence
de deux atomes H. Les associations d'atomes pour former des molécules
sont soumises à des lois très strictes, imposées
par la structure même des atomes mais il existe une quantité
énorme de possibilités d'associations.
L'atome
En tant que plus petite partie
d'un corps, l'atome a été imaginé déjà
dans l'Antiquité. Mais c'est seulement au 19ème
siècle qu'il put être étudier et modélisé.
On doit à Ernest Rutherford, un physicien anglais d'avoir
proposé la représentation de l'atome sous la forme
d'un système solaire miniature. Alors que le nombre de
molécules possibles nous parait infini, le nombre d'atomes
est limité. Dans la nature on ne trouve pas plus de 92
corps simples différents. Alors qu'il est possible de fabriquer
des molécules visibles avec un microscope électronique,
l'atome a des dimensions qui sont de l'ordre de grandeur de l'angström.
Les corps simples les plus courants sont stables : un atome de
cuivre restera éternellement un atome de cuivre. Par contre
les atomes les plus lourds, comme le radium ou l'uranium, peuvent
se désintégrer et donner naissance à un ou
deux autres atomes. Ainsi le radium peut se transformer en radon,
un gaz rare radioactif. Ces transformations sont exploitées
dans le domaine de l'énergie nucléaire.
La structure de l'atome
Conventionnellement on représente l'atome comme constitué
d'électrons gravitant autour d'un noyau, comme le feraient
des satellites autour d'une planète. Par rapport au diamètre
de l'atome, le noyau semble très petit, la matière
est essentiellement constituée de vide.
Le noyau est constitué de nucléons :
- un nombre Z de protons, déterminant la nature du corps
simple.
- un nombre N de neutrons.
Z est le numéro atomique. L'oxygène qui comporte
8 protons a un numéro atomique 8.
Le nombre de masse A est égal à la somme
Z+N, il est de 16 pour l'oxygène. Pour les noyaux lourds
N est plus grand que Z (voir plus loin les isotopes) ;
exemple : le cuivre A = 63, N = 29, Z = 34.
La charge électrique du neutron est nulle. Le proton a
une charge positive égale en valeur absolue à celle
de l'électron qui lui, est négatif. A son état
normal un atome est neutre, le nombre d'électrons étant
égal au nombre de protons. Sur la figure ci-contre les
neutrons du noyau n'ont pas été représentés.
L'essentiel de la masse de l'atome est concentré dans le
noyau.
Voir : les dimensions de l'atome
Répartition des électrons
Les électrons,
de charge négative, sont répartis par couches. Chaque
couche ne peut comporter qu'un nombre limité d'électrons.
Par exemple la couche K qui est la plus proche du noyau est saturée
avec 2 électrons. La couche la plus à l'extérieur
de la plupart des atomes n'est pas complète, elle peut
ainsi accepter (provisoirement) des électrons, ou éventuellement
en perdre. C'est le cas lors de l'ionisation d'un atome. Les gaz
rares (hélium, néon, krypton...) ont la couche la
plus extérieure qui est saturée, ils sont inertes
sur le plan chimique.
Le nombre d'électrons maximum par couche est le suivant
:
K : 2, L : 8, M : 18, N : 32, O : 50...
La figure ci-contre représente dans un plan les 14 électrons
d'un atome de silicium gravitant autour du noyau composé
de 14 protons et 14 neutrons.
Les ions
Une molécule de potasse, d'acide sulfurique ou de chlorure
de sodium se dissocie en ions lorsqu'elle est dissoute dans de
l'eau. Par exemple, la molécule NaCl devient Na+ et Cl-
L'ion Na+ est appelé cation car il sera attiré par
la cathode négative lors d'une électrolyse et l'ion
Cl- est un anion. Le symbole Na+ signifie que l'atome de sodium
a perdu un électron et possède une charge positive
tandis que l'anion Ca- possède une charge électrique
positive.
L'ionisation peut se produire aussi à haute température.
Un plasma est un gaz complètement ionisé, un mélange
d'ions et d'électrons dont la charge globale est neutre.
Les gaz de la haute atmosphère (l'ionosphère) sont
ionisés par le rayonnement solaire. Il participent à
la formation de couches réfléchissant les ondes
radio sur ondes courtes.
Le rayonnement
Les électrons périphériques
sont moins fortement soumis à l'attraction du noyau que
ceux des couches internes et il arrive fréquemment qu'un
électron change d'orbite par suite d'une excitation comme,
par exemple, une décharge électrique en milieu gazeux.
Lors de cette opération l'électron absorbe une certaine
quantité d'énergie. En reprenant sa trajectoire
normale, l'électron restitue l'énergie W
(en J) qu'il avait absorbée en émettant un photon,
donc un rayonnement de fréquence n (en Hz) particulière selon la
relation :
avec h = 6,6256.10-34 J.s (constante de Planck). Voir : fréquence des radiations lumineuses.
Réciproquement, un photon capté par un atome peut
provoquer un changement de trajectoire d'un électron et
faciliter le passage d'un courant électrique (effet photoélectrique)
voire ioniser l'atome en éjectant l'électron.
Les isotopes
Deux atomes d'un même corps
simple comportent le même nombre de protons dans leurs noyaux
respectifs. Mais le nombre de neutrons contenus dans le noyau
peut varier. Ainsi le noyau d'un atome d'hydrogène ordinaire
est composé d'un seul proton mais il existe aussi deux
autres sortes d'hydrogène :
- le deutérium, dont le noyau est composé d'un proton
et d'un neutron
- le tritium, qui possède deux neutrons dans son noyau.
Ces trois atomes sont des atomes d'hydrogène dont les propriétés
chimiques sont identiques. On donne le nom d'isotope aux différentes
variantes d'atomes d'un même corps simple. L'uranium possède
3 isotopes naturels dont le plus courant est l'uranium 238 dont
le noyau est constitué de 92 protons et 146 neutrons.
Les isotopes radioactifs peuvent avoir des applications pacifiques
dans le domaine médical.
Le cristal
La couche la plus externe de l'atome
abrite les électrons qui participe à la conduction
dans les corps conducteurs comme le cuivre, l'aluminium ou qui
permettent l'assemblage d'atomes comme dans les molécules
ou les cristaux.
Un cristal est un solide formé d'atomes régulièrement
disposés et fermement liés les uns aux autres. Il
peut s'agir d'atomes différents (chlore et sodium dans
le sel de cuisine) ou identiques (carbone, dans le diamant). Les
atomes voisins mettent en commun leurs électrons de la
couche externe.
Dans le cristal de silicium, chaque atome est lié à
4 atomes voisins avec qui il partage les quatre électrons
de sa couche M. La répartition étant régulière
on peut considérer qu'un atome est au centre d'un tétraèdre
et que ses 4 voisins sont placés aux sommets de ce tétraèdre.