ÉTAT DE LA MATIÈRE, notion d'

Les particularités et ressemblances des quatre états fondamentaux

Si les quatre états traditionnels de la matière (solide, liquide, gaz, plasma) ont quelques points communs avec les quatre éléments antiques (terre, eau, air, feu), leur signification est toute différente. Ainsi, Thalès considérait que l'eau liquide n'avait pas strictement la même substance que la glace, cette dernière ayant acquis certaines caractéristiques de l'élément terre. Au contraire, la division classique issue de la thermodynamique du xix^e siècle indique que les propriétés physiques du système sont modifiées sans que sa composition chimique le soit. Alors que cette description s'est développée sans aucune référence – et même plutôt en opposition – à la structure atomique de la matière, elle est maintenant comprise comme résultant de l'étude globale d'un très grand nombre de constituants (atomes ou molécules), par les méthodes et avec les concepts de la physique statistique.

L'état gazeux, et particulièrement son idéalisation dans ce qu'on appelle le gaz parfait, est caractérisé par son désordre total. La première étude systématique du comportement d'un gaz permet à Robert Boyle de montrer en 1662 que les caractéristiques d'un gaz – pression, température, volume – obéissent à une équation d'état qui permet de décrire son comportement. Quelques années plus tard, Isaac Newton démontre cette loi à partir d'un modèle où il assimile les constituants du gaz à des ressorts entre lesquels agissent des forces répulsives. Constitués uniquement de molécules neutres, les gaz sont des isolants électriques.

L'état liquide est si peu différent de l'état gazeux qu'il est raisonnable de les grouper sous le terme d'état fluide. Pourtant, la plus grande proximité de ses constituants permet que ses propriétés électriques soient fort différentes. De même, l'état vitreux, malgré son aspect solide, a toutes les caractéristiques d'un fluide très visqueux dont les mouvements internes seraient quasi figés.

Parler de l'état solide apparaît vite comme une simplification abusive. On sait bien que les atomes de carbone ne sont pas agencés de la même façon dans un diamant, un morceau de graphite ou encore de charbon. La physique de l'état solide a dénombré et caractérisé les états cristallins correspondants. Les symétries spatiales des mailles élémentaires de ces réseaux atomiques et les propriétés de leurs nuages électroniques sont la cause de leurs propriétés macroscopiques, mécaniques ou électromagnétiques. Certains solides sont isolants ou conducteurs suivant les conditions qu'on leur impose. Il est alors légitime de parler d'un état isolant et d'un état conducteur. Les propriétés magnétiques dépendent également de la température d'un solide, et on doit parfois distinguer un état paramagnétique d'un état ferromagnétique.

Le plasma est l'état le plus répandu dans l'Univers. Découvert en 1870 par William Crookes lors d'expériences sur les effets des décharges électriques dans les gaz, c'est un gaz de molécules ionisées qu'on peut considérer comme un ensemble d'électrons et d'ions libres. Il peut être obtenu en portant un gaz à plus de 10 000 ⁰C. Étoiles et espaces interstellaires et intergalactiques sont des plasmas. La magnétosphère et l'ionosphère en sont également, comme les éclairs atmosphériques et les aurores boréales. Les applications techniques sont importantes : tubes à néon, arcs électriques pour soudure, écrans à plasma, essais de domestication des réactions thermonucléaires.