ATOME, notion d'

La cohésion atomique

Les forces s'exerçant entre atomes sont essentiellement de nature électromagnétique. Les forces d'attraction de Van der Waals, responsables par exemple dans les liquides de la cohésion des atomes suffisamment éloignés l'un de l'autre, résultent de l'action que le système de charges d'un atome neutre produit sur celui d'un autre atome. Les forces de liaison chimique sont dues quant à elles à la superposition des nuages de charge de deux systèmes atomiques à couches électroniques non saturées. Lorsque les couches sont saturées, des forces très intenses de répulsion moléculaire apparaissent. La théorie atomique et les méthodes de la mécanique quantique ont permis une description détaillée des propriétés de la matière à l'état solide. Les cristaux sont caractérisés par un réseau géométrique caractéristique qui se répète périodiquement tandis que les corps amorphes sont constitués d'atomes qui ne sont que localement ordonnés.

La physique atomique étudie donc d'abord les configurations des électrons et leurs interactions électromagnétiques, responsables des arrangements macroscopiques de la matière. Les noyaux atomiques n'interviennent à ce niveau que par leur charge électrique ou leurs propriétés magnétiques. Les forces électromagnétiques ne peuvent cependant expliquer ni les propriétés de stabilité des noyaux atomiques ni les phénomènes radioactifs, qui mettent en jeu les interactions fortes et faibles dont le domaine d'action est proprement nucléaire. La masse d'un noyau est inférieure à la somme des masses de ses nucléons constituants, d'une quantité proportionnelle à son s énergie de liaison, qui est l'énergie qu'il faudrait lui fournir pour séparer tous ses constituants. Cette gigantesque énergie est la cause de l'énorme puissance destructrice des bombes atomiques. Le noyau possède une série d'états excités que l'on observe en détectant les particules émises au cours de transitions radioactives ou de réactions nucléaires. Certains d'entre eux sont associés au mouvement d'un seul nucléon, tandis que d'autres mettent en jeu tous les nucléons dans des mouvements de vibration ou de rotation du noyau. Comme pour l'atome, de nombreuses propriétés du noyau s'expliquent par un modèle en couches de protons et de neutrons, mais des aspects collectifs sont également à prendre en compte.

La notion d'atome a ainsi connu une passionnante évolution au cours des vingt-cinq siècles de son histoire. L'atome a certes perdu son caractère élémentaire au profit de particules plus infimes encore (électrons, quarks...). Il garde néanmoins un rôle privilégié de niveau où la matière reste organisée en éléments constitutifs des réactions chimiques dont l'importance est primordiale pour l'activité humaine. Il caractérise aussi l'échelle à laquelle les concepts proposés par la révolution quantique ont fait éclater les limites de la physique classique.