Les atomes sont des particules minuscules de matière, nous le savons. Pour nous en faire une idée et les étudier, nous avons essayé de nous les représenter. Il existe divers modèles des atomes et des molécules. Nous allons en voir quelques unes. Niehls Bohr fut le premier à venir avec un modèle de l’atome acceptable par la science moderne.
Le modèle de l’atome de Bohr est simple. Celui est constitué d’un noyau central, dense, autour duquel gravitent des particules encore plus minuscules que celui-ci et très dispersées, ce sont les électrons.
Ceux-ci se meuvent, indépendamment et très vite. Ils paraissent le faire en désordre de telle sorte qu’il est très difficile de les localiser même avec des microsocpes électroniques très perfectionnés. On ne peut que prédire, avec une certaine marge d’erreur, leur position probable dans l’atome, à un moment donné. A cette forme de prédiction, on donne le nom de nuage électronique. Les électrons se déplacent autour du noyau de l’atome sans prendre la tangente, i.e., sans s’y perdre à l’extérieur de l’atome où ils restent presque toujours attachés normalement. Le lien entre les électrons et le noyau de l’atome est l'interaction électrique subatomique1, un peu comparable à la force électrostatique , une force d’attraction puissante, exercée par le noyau positif de l’atome sur l'électron de charge négative. Au niveau atomique, l'interaction électrique est considérablement plus grande que la gravité qui ne s'exerce, dès lors, que sur de plus grandes distances*** et indépendamment des charges électriques des corps. (L'attraction exercée par le noyau sur l'électron serait, à peu près, équivalente à ce que les savants applellent, à l'heure actuelle, la force nucléaire faible, comparativement à l'attraction qui s'exerce entre le proton et le neutron du noyau - force nucléaire forte; elle expliquerait la radiation β.)
Le noyau est une aggrégation de particules, dont les plus connues et les plus stables sont les protons et les neutrons, qui seraient, eux-mêmes, constitués de particules plus petites appellées quarks2. En représenant graphiquement notre modèle atomique de Bohr, nous ignorerons ces derniers.
Dans le dictionaire American Heritage, le proton est défini comme une particule subatomique qui appartient à la famille des baryons3, i.e, des particules subatomiques lourdes, et dont le poids ou la masse* est près de deux milles fois celle de l’électron, ce qui aurait fait de la force de gravité la majeure force d’attraction entre celui-ci et l’électron périphérique, mais, nous le savons déja, il n'en est rien:
Mproton = 1836 x Melectron.
Entre les protons et les électrons, la force d’attraction est encore l'interaction électrique qui s'exerce par leurs charges qui sont de signes opposés, le proton portant une une charge positive et l’électron une charge négative, le déplacement rapide et la volatilité de l'électron annulant tout effet de la gravité qui est, dès lors, considérée comme une force "faible", à ce niveau, et en physique théorique, moderne ("Grand Unified Theory").
Cet autre constituant important du noyau qu’est le neutron a une charge neutre, d’où son nom . Entre le proton et le neutron, il existe également une force d’attraction qui est connue sous l'appellation d'interaction nucléaire forte ou hadronique , et qui s'exercerait par l'intermédaire de plus petites particules subatomiques, les mésons4 - pions et muons - un peu a la manière de la laison moléculaire covalente (cf., Chapitre 5). Comme le proton, le neutron est un baryon, i.e., une grande particule subatomique, dont la masse est près de deux milles fois celle de l’électron. Parce que les neutrons sont relativement lourds et stables, l’armée américaine s’et promue de fabriquer des bombes atomiques au neutron qui créraient un grand dommage matériel aux installations militaires et peu de dommages humains, par suite de la radiation très limitée des particules élémentaires (subatomiques) - photon, leptons5, baryons, et mesons - provenant de la désintégration du noyau de l’atome.
En dehors de son centre ou noyau très dense, l’atome est très épars et sa périphérie est délimitée par les orbites circulaires ou ovales des électrons. La taille d’un atome est, donc, de très loin plus grande que celle de son noyau et est, approximativement, 10 - 8 centimètres. C’est ce qui, en fait, empêche l’écrasement des molécules et de la matière, en général, sur elles-mêmes, alors que les forces d’attraction que sont l'interaction nucléaire et l’attraction électrique entre le noyau et l'électron empêchent le "déchirement" de l’atome et de la matière.
Les principaux constituants de l’atome sont, donc, le proton, le neutron et l’électron. Ceux-ci sont maintenus ensemble par des forces d'interactions intranucléaires et la charge electrique . La structure et la topographie générales de l’atome sont celle d’un noyau dense, formé de protons et de neutrons et d’une périphérie éparse, faite d’électrons orbitant le noyau.
Nous ne saurons parler de la structure de l’atome sans parler de la mobilité de ses constituants. En effet, la structure de l’atome est intimement liée à la mobilité de ses constituants. À côté du déplacement, sur orbite, de ses électrons, ceux-ci et, en général, les particules subatomiques sont doués d’un autre mouvement qui est angulaire ou non linéaire, appelé le spin, et qui décrit la rotation de la particule sur elle-même. En outre, les électrons peuvent se rapprocher ou s’éloigner du noyau et voir leur orbite diminuer ou s’élargir. La transition d’un électron d’une orbite supérieure à une orbite inférieure s’accompagne de l'émission de l’énergie sous la forme d’un rayon lumineux, le photon. La structure de l’atome qui lui reconnait un noyau central et des électrons sur diverses orbites ou couches (quantiques**) périphériques est, plus généralement, connu comme le modèle de Bohr-Rutherford (dû aux travaux de Niels Bohr et d’Ernest Rutherord).
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* Ordinairement, et dans le langage courant, on fait une distinction entre la masse et le poids, le poids étant dû à la masse d'un objet mesurée ou pesé sur une balance, en un point donné de la terre, mais ici, cette distinction est sans grande valeur.
** Les nombres quantiques sont des valeurs discontinues ou numériques comme le sont les émissions spectrales de l'atome.
***La gravité s'exerce sur de plus grandes distances parce que réclamant de plus (très) grandes masses.
1 Par subatomique, on entend tout ce qui se passe dans l'atome et par submoléculaire, les liaisons entre les atomes.
2 Le quark est la particule élementaire dont plusieurs constituent l'hadron qui est sujet aux interactions nucléaires fortes.
3 Le baryon (du grec:"..."= lourd), tels les nucléons (proton et neutron) et l'hyperon (un baryon instable), sont des hadrons qui ont les propriétés d'un fermion (de Enrico Fermi) , i.e., ayant un spin fractionel et obéissant au principe d'exclusion statistique de Pauli.
4 Le méson (du grec:"..."= moyen), un hadron dont la masse est inférieure à celle du baryon, a les propriétés d' un boson (du physicien indien Satyendra Nath Bose) et est, donc, une particule élémentaire ayant un spin intégral (non fractionnel) et n'obéissant pas au principe d'exclusion de Pauli; des exemples en sont le pion et le kaon.
4 Le lepton (du grec:"..."= léger) est l'opposé d'un hadron et est, en général, une particule subatomique légère, tels l'électron, le muon, le tau et le neutrino, qui a les propriétés d'un fermion.
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