- 1. Les isotopes naturels et artificiels de l’hydrogène
- 2. Le spectre de l’atome d’hydrogène et l’avènement de la mécanique quantique
- 3. Hydrogène et naissance de l’électrodynamique quantique
- 4. Structure du noyau de l’atome d’hydrogène et chromodynamique quantique
- 5. L’antihydrogène
- 6. Les phases de l’hydrogène
- 7. Hydrogène et astrophysique
- 8. Hydrogène et énergie
HYDROGÈNE (physique)
L’hydrogène est l’élément le plus répandu dans l’Univers. Au début du xviie siècle, l’alchimiste genevois Turquet de Mayerne (1573-1655), poursuivant une observation de Paracelse (1493-1541), observe un dégagement de gaz lorsqu’un acide (esprit de vitriol) agit sur du fer ou du zinc. Le physicien britannique Henry Cavendish (1731-1810) est le premier à l’isoler grâce à une cloche à mercure et à l’étudier. Il le nomme « air inflammable » et, en 1766, dans un mémoire sur « les airs factices », il montre qu’il est dix fois plus léger que l’« air commun ». Le régisseur des poudres et chimiste Antoine de Lavoisier (1743-1794) lui donne son nom (issu du grec, « formeur d’eau ») en 1783, en établissant que l’eau est une combinaison de cet élément avec l’oxygène.
Élément le plus abondant, l’hydrogène est aussi le plus simple. Par cette simplicité – relativement à tous les autres éléments –, il permet de mettre en œuvre des expériences fondamentales pour comprendre la structure de la matière, et est devenu rapidement l’objet des tests nécessaires à l’établissement et la vérification de toute théorie physique : examiner la physique de l’hydrogène, c’est feuilleter les plus grandes pages de l’histoire de la physique moderne. Ainsi, la mécanique quantique naît et se développe dans le cadre des études du spectre de l’atome d’hydrogène. Plus tard, son déploiement en accord avec la relativité restreinte dans le cadre des théories quantiques des champs (approche théorique des interactions entre les particules) trouve certaines de ses plus brillantes confirmations dans l’étude fine de ce spectre. Enfin, la représentation des interactions nucléaires fortes par la chromodynamique quantique, introduite dans les années 1970, acquerra une reconnaissance consensuelle des physiciens des particules grâce à l’étude approfondie des interactions d’un faisceau d’électrons de haute énergie avec des noyaux d’hydrogène.
L’étude de l’hydrogène dans l’Univers est aussi un outil essentiel en astronomie. En effet, premier élément formé selon la cosmologie standard après l’explosion primordiale, il occupe des régions étendues de l’Univers sous la forme de « nuages », il initie toute l’épopée de la vie des étoiles et reste prédominant jusque dans le cœur des planètes géantes comme Jupiter. Combustible essentiel des étoiles jeunes – et du Soleil –, il permet les réactions de fusion nucléaire à l’origine de leur brillance et de toute l’énergie dispersée dans les systèmes planétaires – énergie recueillie sur Terre dans les processus de photosynthèse ou les générateurs photovoltaïques.
En physique appliquée, sous la forme de ses isotopes (deutérium et tritium), l’hydrogène participe au rêve de domestication de cette énergie de fusion auquel est dédié l’ambitieux projet ITER (fusion contrôlée) dont l’assemblage a débuté à la fin de 2020. Il est aussi un vecteur énergétique potentiellement révolutionnaire par l’intermédiaire des « piles à combustible » dont le développement industriel marque le début du xxie siècle. Enfin, son pouvoir destructeur comme charge des bombes thermonucléaires ne peut pas être passé sous silence.
Les isotopes naturels et artificiels de l’hydrogène
Il existe trois isotopes (atomes présentant le même nombre de protons et d’électrons mais pas le même nombre de neutrons) naturels de l’hydrogène. L’atome du plus fréquent (noté hydrogène 1H) a un noyau composé d’un unique proton.
Le deutérium (2H ou D, de numéro atomique 2) a été découvert en 1931 par le chimiste américain Harold Urey (1893-1981). Son noyau est composé d’un proton et d’un neutron ; très peu toxique, il n’est pas radioactif. Son abondance atomique sur Terre varie de 20 à 150 ppm (parties par millions), selon les molécules qui le contiennent,[...]
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Médias
Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène
Encyclopædia Universalis France
Les modèles successifs de l’atome
Encyclopædia Universalis France
Expérience de Rutherford
Encyclopædia Universalis France
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