ATOME, notion d'

« Brique insécable » de la matière selon son étymologie, l'atome est le terme ultime de la division de la matière dans lequel les éléments chimiques conservent leur individualité. C'est la plus petite particule d'un élément qui existe à l'état libre ou combiné, les corps simples étant exclusivement constitués d'atomes identiques tandis que les corps composés sont formés de la réunion d'atomes différents.

Vers la naissance de la théorie atomique moderne

Dans la filiation d'Empédocle et de Leucippe, Démocrite d'Abdère, contemporain de Socrate, est le fondateur de l'atomisme, philosophie selon laquelle l'être se partage en corps impassibles et impérissables. Pourtant le concept d'atome ne devient vraiment scientifique qu'à la fin du xviii^e siècle, après que la « théorie » des quatre éléments a été révisée par les démonstrations de la nature composée de l'air, puis de l'eau. En 1789, Lavoisier définit l'élément comme le dernier terme auquel parvient l'analyse, en précisant que « toutes les substances que nous n'avons encore pu décomposer sont pour nous des éléments ». La liste des trente-trois éléments qu'il dresse alors contient encore la lumière et le calorique. L'apport du chimiste anglais John Dalton marque la naissance de la théorie atomique moderne (A New System of Chemical Philosophy, 1808) ; tout en réaffirmant que les atomes sont les constituants ultimes, indivisibles et indestructibles de la matière, il introduit la notion centrale de poids atomique invariable et précise qu'une réaction chimique ne s'accompagne d'aucune création ou destruction de matière. Les lois pondérales de la composition des éléments que les chimistes avaient établies s'expliquent alors comme la conséquence du nombre d'atomes dans les corps composés. L'hypothèse atomique fut pendant longtemps l'objet d'une opposition passionnée. Ainsi Marcelin Berthelot, pour ne pas voir « la chimie dégénérer en religion », affirmait-il qu'il ne voulait pas « que l'on croie à l'existence réelle des atomes ». Mais d'Amédée Avogadro à Ludwig Boltzmann et jusqu'à Jean Perrin, la précision croissante des expériences et l'intelligence de leurs interprétations imposent finalement ce concept au point que Henri Poincaré peut affirmer vers 1910 : « Les atomes ne sont plus une fiction utile, nous pouvons dire que nous les voyons puisque nous pouvons les compter. » Les perfectionnements techniques de la fin du xx^e siècle, en particulier l'invention du microscope électronique à effet tunnel et du microscope à force atomique, permettent même de visualiser et de manipuler un par un les atomes, ouvrant la voie à la nanotechnologie.

Les découvertes du début du xx^e siècle ont montré que l'atome est constitué d'un noyau et d'électrons en orbite autour de celui-ci. Les dimensions du noyau sont de l'ordre de 10^–14 mètre, celles des atomes, avec leur cortège électronique, de l'ordre de 10^–10 mètre. Le numéro atomique Z dénombre les électrons et le nombre de masse A les nucléons (protons ou neutrons). La neutralité électronique de l'atome impose que Z soit aussi égal au nombre de protons contenus dans le noyau. Deux atomes qui ne diffèrent que par leur nombre (A-Z) de neutrons ont les mêmes propriétés chimiques, mais leurs propriétés nucléaires sont différentes. Ce sont des isotopes.

Si l'atome concentre presque toute sa masse dans le noyau, la plupart de ses autres propriétés proviennent des électrons. C'est principalement l'exploration de celles-ci qui a conduit les physiciens des années 1920 à proposer un cadre radicalement nouveau pour la description des phénomènes élémentaires. Le modèle de Rutherford (1911) identifiait la structure de l'atome[...]