atome

Un atome d'hélium : Le noyau atomique (en rose) se trouve au centre d'un nuage beaucoup plus gros de deux électrons (en gris). Dans une représentation grandeur nature, un noyau atomique d'un diamètre de 1 millimètre aurait un nuage d'électrons d'environ 100 mètres. En haut à droite, le noyau, composé de deux protons et de deux neutrons, est également représenté schématiquement et agrandi. En réalité, la disposition des quatre particules est à symétrie sphérique .
Les atomes des éléments dans l'arrangement du tableau périodique en représentation à l'échelle de leur rayon covalent

Atomes (de grec ancien ἄτομος atomOs « indivisible ») sont les blocs de construction à partir de laquelle tous les solides , liquides ou gazeux substances sont faites. Toutes les propriétés matérielles de ces substances ainsi que leur comportement dans les réactions chimiques sont déterminés par les propriétés et la disposition spatiale de leurs atomes. Chaque atome appartient à un certain élément chimique et forme sa plus petite unité. 118 éléments sont actuellement connus, dont environ 90 se produisent naturellement sur terre. Les atomes de différents éléments diffèrent par leur taille et leur masse et, surtout, par leur capacité à réagir chimiquement avec d'autres atomes et à se combiner pour former des molécules ou des corps solides . Les diamètres des atomes sont compris entre 6 · 10 −11  m ( hélium ) et 5 · 10 −10  m ( césium ), leurs masses allant de 1,7 · 10 −27  kg ( hydrogène ) à un peu moins de 5 · 10 -25  kg (actuellement les noyaux synthétiques les plus lourds).

Les atomes ne sont pas indivisibles, comme on le supposait à l'époque où ils ont été nommés, mais présentent une structure bien définie composée de particules encore plus petites. Ils se composent d'un noyau atomique et d'une coquille atomique . Le noyau atomique a un diamètre d'environ un dix à cent millième du diamètre atomique total, mais contient plus de 99,9 pour cent de la masse atomique. Il se compose de protons chargés positivement et d'un certain nombre de neutrons électriquement neutres à peu près également lourds . Ces nucléons sont liés les uns aux autres par l' interaction forte . La coquille est constituée d' électrons chargés négativement . Il contribue pour moins de 0,06 % à la masse, mais détermine la taille de l'atome. Le noyau positif et la coque négative sont liés l'un à l'autre par attraction électrostatique . Dans la forme basique électriquement neutre de l'atome, le nombre d'électrons dans la couche est égal au nombre de protons dans le noyau. Ce nombre détermine la structure exacte de la coquille et donc aussi le comportement chimique de l'atome et est donc appelé numéro atomique chimique . Tous les atomes d'un même élément ont le même numéro atomique chimique. Si des électrons supplémentaires sont présents ou manquants, l'atome est chargé négativement ou positivement et s'appelle un ion .

L'idée de la structure atomique de la matière existait déjà dans l' Antiquité , mais fut controversée jusqu'à l'époque moderne . La preuve finale n'a pu être fournie qu'au début du 20e siècle et est considérée comme l'une des découvertes les plus importantes en physique et en chimie . Les atomes individuels ne peuvent pas être vus même avec les microscopes optiques les plus puissants . L'observation directe d'atomes individuels n'est possible qu'avec des microscopes ioniques de champ depuis le milieu du 20e siècle , et depuis quelques années également avec des microscopes à effet tunnel et des microscopes électroniques à haute résolution . La physique atomique qui étudie en plus de la structure des atomes et des processus dans leur intérieur et leurs interactions avec d'autres atomes, a contribué de manière significative au développement de la physique moderne et en particulier de la mécanique quantique .

Histoire de l'exploration

L'idée de la structure atomique de la matière existait déjà dans l' Antiquité , mais uniquement sous forme de considérations philosophiques. Leur existence était encore contestée au début du XXe siècle. En raison de leur taille extrêmement petite, les atomes individuels ne peuvent pas être vus même avec les microscopes optiques les plus puissants . La preuve finale de leur existence est considérée comme l'une des découvertes les plus importantes en physique et en chimie . Albert Einstein a apporté une contribution décisive en 1905 lorsqu'il a expliqué quantitativement le mouvement brownien connu de longue date des petits grains, qui était directement visible au microscope, par le fait qu'il provenait de collisions accumulées aléatoirement d'atomes ou de molécules dans l'environnement. Ce n'est que depuis quelques décennies que les microscopes ioniques de champ et les microscopes à effet tunnel , et depuis quelques années également les microscopes électroniques , ont été capables d'observer directement des atomes individuels.

Considérations philosophiques

Le concept d' atomisme , à savoir que la matière est constituée d'unités de base - les "plus petites particules" qui ne peuvent pas être décomposées en morceaux plus petits - existe depuis des milliers d'années, tout comme le contre-concept selon lequel la matière est un continuum qui peut être divisé à volonté. Mais ces idées étaient initialement basées uniquement sur des considérations philosophiques et non sur des recherches expérimentales empiriques . En même temps, on attribuait aux atomes des propriétés différentes, très différentes selon l'âge, la culture et l'école philosophique.

Une première mention du concept atomique en philosophie est connue en Inde. Les écoles Nyaya et Vaisheshika ont développé des théories élaborées sur la façon dont les atomes se sont combinés pour former des structures plus complexes (d'abord par paires, puis trois paires chacune).

Dans la philosophie grecque, le concept atomique a été utilisé pour la première fois au 5ème siècle avant JC. Transmis à Leukippus . Son élève Démocrite l'a systématisé et a introduit le terme átomos ( ἄτομος ), qui signifie quelque chose qui ne peut pas être découpé, c'est-à-dire un objet qui ne peut pas être divisé davantage. Cette désignation a été adoptée à la fin du XVIIIe siècle pour les plus petites unités alors hypothétiques des éléments chimiques de la chimie moderne des débuts, car avec les méthodes chimiques, les atomes ne peuvent en fait pas être "découpés".

À la fin du XVIIIe siècle, les naturalistes expérimentaux ont adopté l' hypothèse de l'atome comme sienne car cette hypothèse, dans le cadre d'un modèle particulaire de la matière, offrait une explication élégante aux nouvelles découvertes en chimie. Dans le même temps, cependant, la notion opposée selon laquelle la matière est un continuum a été maintenue par les philosophes et aussi parmi les scientifiques naturels jusqu'au 20e siècle.

Recherche scientifique

Au cours de la recherche scientifique, l'existence des atomes a été confirmée. De nombreux modèles atomiques différents ont été développés pour décrire leur structure. En particulier, l' atome d'hydrogène comme le plus simple de tous les atomes était important. Certains modèles ne sont plus utilisés aujourd'hui et n'ont d'intérêt que pour l'histoire des sciences. D'autres, selon le domaine d'application, sont encore aujourd'hui des approximations utilisables. En règle générale, le modèle le plus simple est utilisé, ce qui est encore suffisant dans le contexte donné pour clarifier les questions qui se posent.

Bon nombre des découvertes énumérées ci-dessous (si elles sont postérieures à 1900) ont reçu le prix Nobel de physique ou de chimie .

Confirmation de l'hypothèse atomique

Divers atomes et molécules illustrés dans A New System of Chemical Philosophy (1808) de John Dalton .

Robert Boyle , dans son ouvrage The Skeptical Chymist en 1661, était d' avis que la matière était constituée de diverses combinaisons de corpuscules différents et non des quatre éléments de l' alchimie : eau, terre, feu, air. Avec cela, il a préparé le dépassement de l'alchimie à travers les concepts d'éléments et d'atomes de la chimie moderne.

Daniel Bernoulli montra en 1740 que la même pression des gaz sur les parois des récipients, en particulier la loi de Boyle et Mariotte , peut s'expliquer par d'innombrables collisions des plus petites particules. Cela a fait de ses recherches le précurseur de la théorie des gaz cinétiques et de la mécanique statistique .

Dès la fin du XVIIIe siècle, l'idée d'atomes a été utilisée pour attribuer les angles bien définis aux bords et aux coins des pierres précieuses aux différentes couches possibles de sphères dures .

Après qu'Antoine Lavoisier ait inventé le terme actuel d' élément chimique en 1789 et identifié correctement les premiers éléments, John Dalton a utilisé le concept atomique en 1803 pour expliquer pourquoi les éléments réagissent toujours entre eux dans des proportions de petits nombres entiers ( loi des proportions multiples ). Il a supposé que chaque élément est constitué d'atomes du même type, qui peuvent se combiner les uns avec les autres selon des règles fixes et ainsi former des substances avec des propriétés matérielles différentes. Il supposait également que tous les atomes d'un élément avaient la même masse, et justifiait ainsi le terme poids atomique .

Amedeo Avogadro a pu résumer les observations sur le comportement chimique et physique des gaz en 1811 à l'effet que deux gaz parfaits sont toujours constitués du même nombre de particules identiques ("molécules") avec les mêmes valeurs de volume, pression et température du gaz. Dans les gaz élémentaires tels que l'hydrogène, l'oxygène ou l'azote, les molécules sont toujours constituées de deux atomes de l'élément ( loi d'Avogadro ).

En 1866, Johann Loschmidt a pu déterminer la taille des molécules d'air en évaluant les valeurs mesurées par George Stokes pour le frottement interne dans l'air à l' aide d'une formule obtenue par James C. Maxwell à partir de la théorie des gaz cinétiques . Cela lui a permis de déterminer le poids d'une molécule d'air. Il a également reçu le nombre de Loschmidt nommé d'après lui comme le nombre de molécules d'air par centimètre cube (dans des conditions normales ).

À la suite des travaux d'Avogadro et de Stanislao Cannizzaro , il a été supposé que les atomes n'apparaissent pas comme des particules individuelles, mais seulement comme des composants de molécules composées d'au moins deux atomes. Mais en 1876, August Kundt et Emil Warburg réussirent à faire la première preuve d'un gaz monoatomique. Ils ont déterminé l' exposant adiabatique de la vapeur de mercure à haute température et ont obtenu une valeur qui, selon la théorie cinétique des gaz, ne peut se produire que pour des particules sous forme de points de masse réels . A partir de 1895, des observations correspondantes ont été faites sur les gaz rares nouvellement découverts .

Après la publication de sa thèse sur la détermination des dimensions moléculaires, Albert Einstein proposa la même année en 1905 une expérience pour tester quantitativement l'hypothèse de l'existence des atomes sur la base du mouvement tremblant de petites particules dans l'eau. Selon sa théorie, en raison de l'irrégularité des impacts des molécules d'eau, les particules devraient effectuer de petits mouvements qui sont au moins visibles au microscope. Initialement, Einstein ne savait pas qu'il avait expliqué quantitativement le mouvement brownien du pollen, connu depuis 1827 , dont Christian Wiener avait d' abord supposé des impacts moléculaires dès 1863 . Selon les formules d'Einstein, la force du mouvement de tremblement dépend de la masse des molécules en collision, et sur cette base le physicien français Jean Perrin a déterminé expérimentalement la masse moléculaire et a trouvé des résultats similaires à ceux de Loschmidt. Ces travaux ont apporté une contribution décisive à la reconnaissance générale de l'hypothèse dite « atomique » jusqu'alors.

Divisibilité et structure des atomes

Joseph John Thomson a découvert en 1897 que les rayons cathodiques sont constitués de particules d'une certaine charge et masse, et que leur masse est inférieure au millième de la masse atomique. Ces particules étaient appelées électrons et se sont avérées faire partie de toute matière, ce qui contredisait le concept de l'atome en tant qu'unité indivisible. Thomson croyait que les électrons donnaient à l'atome sa masse et qu'ils étaient distribués dans l'atome dans un milieu sans masse et chargé positivement comme des « raisins secs dans un gâteau » ( le modèle de l'atome de Thomson ).

La radioactivité récemment découverte a été liée en 1903 par Ernest Rutherford et Frederick Soddy à l'interconversion de différents types d'atomes. En 1908, ils ont pu prouver que les particules qui forment le rayonnement alpha se transforment en atomes d' hélium .

Avec son groupe de recherche, Ernest Rutherford a tiré une feuille d'or avec des particules en 1909. Il a découvert que la plupart des particules pénétraient le film presque sans entrave, mais que quelques-unes étaient déviées par des angles beaucoup plus grands que ce qui serait possible selon le modèle de Thomson. Rutherford en a conclu que presque toute la masse de l'atome était concentrée dans un volume beaucoup plus petit et chargé électriquement au milieu de l'atome et a ainsi créé le modèle de Rutherford de l'atome, qui est valable depuis lors, avec la structure de base de l'atome du noyau atomique et de la coquille atomique. Les particules fortement déviées étaient celles qui se trouvaient plus près d'un noyau qu'environ un centième du rayon atomique. Le nombre de charge du noyau atomique s'est avéré être le numéro atomique chimique de l'élément en question, et les particules se sont avérées être les noyaux atomiques de l'hélium.

Spectromètre de masse simple (représentation schématique)

Le chimiste Frederick Soddy a découvert en 1911 que certains des éléments radioactifs naturels devaient être constitués d'atomes de masses différentes et de niveaux de radioactivité différents. Le terme isotope pour des atomes physiquement différents du même élément chimique a été proposé par Margaret Todd en 1913 . Comme les isotopes d'un même élément ne pouvaient pas être distingués par leur comportement chimique, le physicien JJ Thomson a développé un premier spectromètre de masse pour leur séparation physique. En 1913, il a pu utiliser l'exemple du néon pour prouver qu'il existe également des éléments stables avec plusieurs isotopes.

En 1918, Francis William Aston a découvert avec un spectromètre de masse d'une précision considérablement plus grande que presque tous les éléments sont des mélanges de plusieurs isotopes, les masses des isotopes individuels étant toujours des multiples (presque) entiers de la masse de l'atome d'hydrogène. En 1919, Rutherford a démontré dans la première réaction nucléaire observée que les noyaux d'atomes d'hydrogène peuvent être éjectés des noyaux d'atomes d'azote en les bombardant de particules . Il lui a donné le nom de proton et a développé un modèle atomique dans lequel les atomes ne sont constitués que de protons et d'électrons, les protons et certains des électrons formant le petit noyau atomique lourd, les électrons restants formant la grande coquille atomique légère. L'idée d'électrons dans le noyau atomique s'est cependant avérée problématique et a finalement été abandonnée en 1932 après que James Chadwick eut démontré que le neutron était un noyau neutre avec à peu près la même masse que le proton. C'est ainsi qu'a été créé le modèle atomique d'aujourd'hui : le noyau atomique est composé d'autant de protons que le numéro atomique l'indique, et aussi d'autant de neutrons que la masse isotopique correspondante est atteinte ; la couche atomique est constituée de tant d'électrons que l'atome entier devient neutre.

Structure de la coquille atomique

Illustration du modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène (Z = 1) avec un électron sautant entre des orbites fixes et émettant un photon avec une certaine fréquence f.

Les propriétés observées (telles que la taille, la stabilité, les modes de réaction) de la couche atomique ne pouvaient trouver aucune explication dans le contexte de la physique classique. Ce n'est qu'en incorporant de nouvelles règles de quantification utilisant le quantum d'action de Planck que Niels Bohr a pu expliquer en 1913 comment apparaissent les raies spectrales dans les spectres optiques d'éléments purs qui sont absolument caractéristiques de l'élément respectif ( analyse spectrale selon Robert Wilhelm Bunsen et Gustav Robert Kirchhoff 1859). Dans l' expérience Franck-Hertz , l'absorption et la libération d'énergie quantifiées des atomes de mercure ont pu être confirmées expérimentalement. Le modèle de Bohr était valable, bien que seulement pour des systèmes avec un seul électron (alors seulement de l'hydrogène et de l'hélium ionisé), mais a formé au cours de la décennie suivante, la base d'un certain nombre de raffinements. Dans le modèle en couches, ils ont conduit à une première compréhension de la structure des couches électroniques de tous les éléments et donc aussi à la compréhension physique du tableau périodique chimique . Le modèle de Bohr de l'atome est ainsi devenu la base de l'image populaire de l'atome en tant que petit système planétaire.

Modèle orbital de l'atome : Représentation des orbitales atomiques de la première (2 électrons) et de la deuxième (8 électrons) couche électronique

En 1925, Werner Heisenberg se développa avec Max Born , Pascual Jordan , Wolfgang Pauli et d'autres. la mécanique matricielle . En 1926, Erwin Schrödinger remplaça les règles de quantification par sa mécanique ondulatoire . Il décrit les électrons non pas comme des points de masse sur certaines orbites plates, mais comme debout ondulatoire de la matière étendue en trois dimensions . Les deux formes d'une nouvelle « mécanique quantique » pourraient expliquer correctement le spectre de l'atome d'hydrogène. À la suite de ces descriptions, il est interdit, entre autres, d'attribuer des valeurs précises pour la position et la quantité de mouvement à un électron en même temps . Ce fait a été formulé par Heisenberg en 1927 dans le principe d' incertitude . Selon cela, au lieu du mouvement sur certaines trajectoires, seules des distributions de probabilité pour les plages de valeurs de position et de quantité de mouvement peuvent être données, une idée difficile à illustrer. Les orbites quantifiées du modèle de Bohr correspondent ici à des « orbitales atomiques ». Entre autres, ils indiquent comment la probabilité que les électrons se concentrent près du noyau atomique et déterminent ainsi la taille réelle de l'atome.

La description des propriétés des atomes était bien meilleure avec ces premiers modèles atomiques entièrement quantiques qu'avec les modèles précédents. En particulier, les raies spectrales et la structure de la couche atomique en termes spatiaux et énergétiques peuvent également être représentées dans le cas d'atomes à plusieurs électrons, y compris les possibilités précises de former des états liés aux couches atomiques d'autres atomes, c'est-à-dire des molécules stables . Par conséquent, le modèle de l'atome de Bohr a été rejeté en faveur du modèle orbital de la mécanique quantique de l'atome.

Le modèle orbital est toujours la base et le point de départ pour des calculs précis de mécanique quantique de presque toutes les propriétés des atomes. Le modèle orbital pour un atome avec plus d'un électron peut être décrit physiquement comme une approximation, à savoir comme une approximation à une particule, qui attribue une orbitale spécifique à chaque électron individuel. Un état formé de cette manière est connu sous le nom de configuration de l'atome et appartient au type le plus simple d'états multiparticulaires en mécanique quantique. Des modèles plus précis tiennent compte du fait que, selon les règles de la mécanique quantique, la coque peut également être dans un état qui résulte de la superposition de différentes configurations, c'est-à-dire où différentes configurations électroniques sont simultanément présentes avec différentes amplitudes de probabilité (mélange de configurations). Cela permet les calculs les plus précis des niveaux d'énergie et des interactions entre les atomes. En raison de l'effort mathématique requis pour cela, des modèles atomiques plus simples sont toujours utilisés dans la mesure du possible. En plus du modèle de couche, il convient de mentionner le modèle de Thomas-Fermi , dans lequel la couche d'électrons est traitée comme un gaz d'électrons idéal (" gaz de Fermi ") lié dans le puits de potentiel , dont la densité à son tour, ensemble avec la charge nucléaire, détermine la forme du puits de potentiel électrostatique.

Structure du noyau atomique

Pour découvrir le noyau atomique et sa composition à partir de protons et de neutrons, voir la section "Divisibilité et structure des atomes" ci-dessus. Ce qui suit sont des mots clés pour rechercher d'autres propriétés des noyaux.

Énergie de liaison

L'énergie de liaison des nucléons est à l'origine de la haute énergie des quanta du rayonnement radioactif. Il dépasse l'énergie de liaison chimique des molécules de cinq à six ordres de grandeur. A partir de 1935, pour la première fois, une présentation d'un modèle approximatif réussit, le modèle goutte de CF von Weizsäcker et Hans Bethe . Cela explique l'augmentation initiale de l'énergie de liaison moyenne pour les noyaux d'environ 10 nucléons jusqu'à environ le nombre croissant dans lequel les nucléons se lient à leurs voisins respectifs en raison des forces nucléaires réelles, puis la diminution de l'énergie de liaison moyenne due à la augmentation de la répulsion électrostatique, qui affecte tous les protons entre eux.

Fusion et fission nucléaires

Étant donné que le maximum de l'énergie de liaison moyenne se situe dans les noyaux moyennement lourds, cela signifie une libération d'énergie à la fois lorsque des noyaux très légers fusionnent et lorsque des noyaux très lourds se séparent. La fusion de l'hydrogène en hélium a été identifiée comme la source d'énergie de l'étoile en 1938. La fission après capture de neutrons a été démontrée pour la première fois en 1938 dans des noyaux d'uranium (de l'isotope U-235) par Otto Hahn et Fritz Strassmann . Par la suite, la recherche nucléaire s'est considérablement intensifiée et a conduit aux premières bombes atomiques en 1945 , aux bombes à hydrogène en 1952 et, à partir du milieu des années 1950, à l'utilisation de l'énergie atomique pour l'approvisionnement en énergie.

Modèle Shell et modèle unifié

Le modèle en coquille des noyaux établi par JHD Jensen et Maria Goeppert-Mayer en 1949 est beaucoup plus détaillé que le modèle en gouttelettes . Semblable au modèle de coquille d'atomes, il suppose une certaine orbitale pour chaque nucléon dans un puits de potentiel à symétrie sphérique commune. Cela peut expliquer une multitude de données sur les états de base et excités des noyaux, par exemple leur spin nucléaire , leur moment dipolaire magnétique et quadripolaire électrique , ainsi que leurs modes de désintégration et de réaction. Au début des années 1960, Aage Bohr , Ben Mottelson et James Rainwater ont réussi à combiner ce modèle à particule unique avec les aspects du mouvement collectif, ce qui a également permis de comprendre les écarts par rapport à la forme sphérique dans certaines zones du nombre de nucléons.

Origine des forces nucléaires

Les forces nucléaires à courte portée pourraient être attribuées à l' interaction forte entre les quarks dans les années 1970 .

Structure des protons et des neutrons

A partir des années 1950, il a été possible d' examiner les atomes et surtout les noyaux atomiques lorsqu'ils étaient bombardés de particules de très haute énergie grâce au développement d' accélérateurs de particules et de détecteurs de particules améliorés . À la fin des années 1960, la « diffusion inélastique profonde » des électrons sur les noyaux atomiques a montré que les neutrons et les protons ne sont pas des unités indivisibles, mais sont composés de quarks .

Quelques expériences avancées avec des atomes

En 1951, Erwin Müller a développé le microscope ionique de champ et a ainsi pu créer pour la première fois une image de la pointe d'une aiguille qui était tellement agrandie de manière directe que des atomes individuels y étaient visibles (même si ce n'était que des taches floues). . Développé en 1953 par Wolfgang Paul , le piège à ions magnétique (piège de Paul ), stocke les ions individuels et peut être étudié avec une précision toujours plus grande.

En 1985, un groupe de travail dirigé par Steven Chu a développé le refroidissement par laser , un procédé qui utilise le rayonnement laser pour réduire considérablement la température d'une accumulation d'atomes . La même année, un groupe dirigé par William D. Phillips réussit à verrouiller des atomes de sodium neutres dans un piège magnéto-optique . En combinant ces procédés avec une méthode utilisant l' effet Doppler , un groupe de travail dirigé par Claude Cohen-Tannoudji a pu refroidir de petites quantités d'atomes à des températures de quelques microkelvins . Avec cette méthode, les atomes peuvent être examinés avec la plus grande précision ; il a également permis la réalisation expérimentale de la condensation de Bose-Einstein .

Au début des années 1980, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer ont développé le microscope à effet tunnel , dans lequel une pointe d'aiguille balaye une surface en utilisant l' effet tunnel si finement que les atomes individuels deviennent visibles. Cela a également permis de mettre des atomes individuellement à certains endroits. Dans les années 1990, Serge Haroche et David Wineland ont pu étudier avec succès l'interaction d'un seul atome avec un seul photon lors d'expériences . Dans les années 2000, la maniabilité des atomes individuels a été utilisée, entre autres, pour produire un transistor à partir d'un seul atome de métal avec des ligands organiques .

Depuis la fin des années 1980, une excitation multiple avec une impulsion laser a été utilisée pour générer des atomes de Rydberg . Dans un atome de Rydberg, un électron est excité dans un état d'énergie si élevé qu'il orbite autour du noyau atomique, parfois aussi du noyau entier de l'atome, constitué du noyau atomique et des électrons restants, et son comportement se rapproche de celui d'une particule classique . Les atomes de Rydberg peuvent être plus de 100 000 fois plus gros que les atomes non excités. Comme ils sont extrêmement sensibles aux champs externes, vous pouvez les utiliser par ex. B. examiner en détail l'interaction d'un seul atome avec un seul photon . Si deux électrons ou plus sont excités dans de tels états, on parle d'atomes planétaires.

Classification

Tableau périodique
Carte des nucléides

Éléments, isotopes, nucléides

La différenciation et la désignation des différents types d'atomes reposent initialement sur la structure du noyau atomique, tandis que l'état de la coquille est indiqué par des symboles supplémentaires, si nécessaire. Les indicateurs sont le nombre de protons ( numéro atomique, numéro atomique) Z , le nombre de neutrons N du noyau, et le nombre de masse formé à partir de celui-ci A = Z + N . Selon leur nombre de protons, les atomes appartiennent à l'un des 118 éléments chimiques connus , de l'hydrogène avec Z = 1 à Oganesson avec Z = 118. Parmi ceux-ci, 91 ont été découverts dans des occurrences naturelles, 27 seulement après production artificielle par des réactions nucléaires . L'ordre des éléments est illustré graphiquement dans le tableau périodique - important pour la chimie. Les éléments sont classés par ordre croissant sous forme de tableau. Chaque ligne est appelée la période du tableau périodique et se termine lorsque l' orbitale respective est entièrement occupée par des électrons (gaz noble). Dans les lignes suivantes, le caractère chimique des éléments est répété en raison de l'occupation électronique progressive des orbitales suivantes. Les éléments ayant des propriétés chimiques similaires sont dans une colonne en dessous de l'autre ; ils forment un groupe du tableau périodique .

Les atomes d'un élément qui diffèrent par le nombre de neutrons appartiennent à différents isotopes de l'élément. Au total, les 118 éléments se composent d'environ 2800 isotopes, dont 2500 ont été créés artificiellement. A l'exception des isotopes de l'hydrogène deutérium et tritium , les isotopes sont désignés en fonction de l'élément chimique et du nombre de masse. Le symbole d'un isotope particulier de l'élément a la forme , ou X- A (exemples : , , Pb-208). La spécification du nombre de protons Z est redondante car elle est déjà donnée par le numéro atomique de l'élément .

Nuclide est le nom très général des types d'atomes, qu'ils appartiennent ou non au même élément. La carte des nucléides ou carte des isotopes - importante pour la physique nucléaire et ses applications - est un tableau dans lequel chaque type d'atome a sa propre place. Pour cela, le nombre de protons est porté sur un axe et le nombre de neutrons sur l'autre. Souvent, la stabilité et, dans le cas des nucléides instables, le type de transformation ou l'amplitude de la demi-vie sont représentés par certaines couleurs et, si nécessaire, également par la division de l'espace alloué à l'isotope.

Atomes stables et instables (radioactifs)

Le noyau atomique d'un nucléide peut être soit dans l' état fondamental énergétique , soit dans l'un des différents états excités . Si ceux-ci incluent des états dits métastables à durée de vie relativement longue, ceux-ci sont appelés isomères et comptés comme des nucléides séparés (symbole , etc.). Selon cette définition, en 2003, un total d'environ 3200 nucléides est connu.

En physique nucléaire , les nucléides avec des nombres différents de protons mais le même nombre de masses sont appelés isobares . Moins souvent, des nucléides isotoniques avec des nombres de protons différents mais le même nombre de neutrons sont regroupés.

Seuls environ 250 isotopes de 80 éléments ont un noyau stable. Tous les autres atomes sont instables et se transforment tôt ou tard en atomes d'un isotope stable. Puisqu'ils émettent généralement des rayonnements ionisants , ils sont aussi appelés radio - isotopes ou radionucléides . Sur terre, en plus des 250 isotopes stables, 30 radio-isotopes ont été trouvés dans des occurrences naturelles, qui sont répartis sur 10 éléments radioactifs et provoquent une radioactivité naturelle . De nombreux autres isotopes à courte durée de vie existent à l'intérieur des étoiles, en particulier pendant la phase de supernova .

Formes rares et théoriques

Un atome de Rydberg est un atome dans lequel un électron est excité dans un état d'énergie si élevé qu'il orbite autour du noyau atomique, parfois aussi du noyau entier de l'atome, constitué du noyau atomique et des électrons restants, à une grande distance et donc son comportement ressemble à une particule classique. Les atomes de Rydberg peuvent être plus de 100 000 fois plus gros que les atomes non excités. Comme ils sont extrêmement sensibles aux champs externes, vous pouvez les utiliser par ex. B. examiner en détail l'interaction avec un seul photon . Si deux électrons ou plus sont excités dans de tels états, on parle d' atomes planétaires .

Dans un sens partiellement figuré, les atomes exotiques sont également utilisés pour décrire des systèmes qui présentent certaines similitudes physiques avec les atomes ordinaires. En eux z. B. un des protons, neutrons ou électrons a été remplacé par une autre particule de même charge. Si, par exemple, un électron est remplacé par un muon plus lourd , un atome muonique est formé. Comme positronium un atome exotique est appelée, dans laquelle un électron au lieu d'un proton à un positron qui est la charge positive anti-particule , est lié de l'électron. Des atomes entièrement constitués d'antiparticules à la matière normale sont également possibles. Par exemple, des atomes d'antihydrogène ont été produits artificiellement et détectés pour la première fois en 1995 au CERN de Genève . Entre autres choses, des théories physiques fondamentales sur la symétrie entre particules et antiparticules peuvent être testées sur de tels atomes exotiques.

De plus, le nom atome est parfois utilisé pour des systèmes à deux particules qui ne sont pas maintenus ensemble par une interaction électromagnétique, mais plutôt par une interaction forte . Un tel quarkonium est une particule élémentaire à vie courte de type méson , qui est constituée d'un quark et d'un antiquark. Un atome de quarkonium peut être classé dans ses divers états métastables par des nombres quantiques comme l'atome d'hydrogène.

Émergence

Environ une seconde après le Big Bang , les conversions constantes entre les particules élémentaires se sont arrêtées en raison de la baisse de température, laissant des électrons, des protons et des neutrons. Dans les trois minutes qui ont suivi, la nucléosynthèse primordiale a combiné les neutrons avec des protons pour former les noyaux les plus simples : deutérium , hélium , dans une moindre mesure également lithium et peut-être encore plus petites quantités de béryllium et de bore . Les protons restants (86 %) ont été conservés. Les premiers atomes neutres avec des électrons liés en permanence ne se sont formés que 380 000 ans après le Big Bang dans la phase de recombinaison , lorsque l'univers s'était tellement refroidi par expansion que les atomes n'étaient pas immédiatement ionisés à nouveau.

Les noyaux de tous les atomes plus lourds ont été et sont créés par divers processus de fusion nucléaire . La plus importante d'entre elles est la nucléosynthèse stellaire , par laquelle l'hélium se forme d'abord dans les étoiles, puis les éléments les plus lourds jusqu'au fer . Les éléments avec un numéro atomique plus élevé que le fer apparaissent dans des processus explosifs tels que le processus r dans les supernovae et le processus s dans les étoiles AGB , qui sont sur le point d'atteindre la fin de leur durée de vie.

De petites quantités d'éléments et d'isotopes différents sont également formées en divisant à nouveau les noyaux lourds. Cela se produit par le biais de désintégrations radioactives (voir la série de désintégrations ), qui entre autres. sont responsables d'une partie de l'apparition de l'hélium et du plomb, et des spallations , qui sont importantes pour la formation du lithium, du béryllium et du bore.

Occurrence et distribution

Fréquences des éléments de l'univers ( échelle logarithmique )

Les atomes de l' univers observable ont une densité moyenne de 0,25 atome/m³. Selon le modèle du big bang ( modèle lambda CDM ), ils représentent environ 4,9% de la densité énergétique totale. Les 95,1% restants, dont la nature est encore largement incertaine, sont constitués d'environ 27% de matière noire et 68% d' énergie noire , ainsi que de petites contributions de neutrinos et de rayonnement électromagnétique. A l'intérieur d'une galaxie comme la Voie lactée , la densité d'atomes dans le milieu interstellaire (ISM) est beaucoup plus élevée et se situe entre 10 4 et 10 11 atomes/m 3 . Le soleil est situé dans la bulle locale en grande partie exempte de poussière , de sorte que la densité à proximité du système solaire n'est que d'environ 10 3 atomes/m 3 . Dans les corps célestes solides comme la Terre, la densité atomique est d'environ 10 29 atomes/m 3 .

Dans la répartition des éléments dans l'univers, l' hydrogène domine avec environ les trois quarts de la masse, suivi de l'hélium avec environ un quart. Tous les éléments plus lourds sont beaucoup plus rares et ne constituent qu'une petite fraction des atomes de l'univers. Leurs fréquences sont déterminées par les différents mécanismes de la nucléosynthèse .

Dans le système solaire, l'hydrogène et l'hélium se trouvent principalement dans le soleil et les planètes gazeuses . En revanche, les éléments lourds prédominent sur terre. Les éléments les plus courants ici sont l' oxygène , le fer , le silicium et le magnésium . Le noyau terrestre est principalement constitué de fer, tandis que l'oxygène et le silicium prédominent dans la croûte terrestre.

Composants de l'atome

Les deux composants principaux d'un atome sont le noyau atomique et la coquille atomique. La coquille est constituée d'électrons. Il contribue à moins de 0,06 % à la masse de l'atome, mais détermine sa taille et son comportement vis-à-vis des autres atomes lorsqu'ils se rapprochent. Le noyau est constitué de protons et de neutrons, a un diamètre de dix à cent mille fois plus petit que la coquille, mais contient plus de 99,9 % de la masse de l'atome.

Noyau atomique

construction

L' énergie de liaison qui doit être appliquée par nucléon afin de décomposer complètement le noyau en nucléons, pour les noyaux naturellement présents sur terre.

Les protons et les neutrons présents dans un atome , également appelés nucléons , sont liés les uns aux autres et forment le noyau atomique. Les nucléons appartiennent aux hadrons . Le proton est chargé positivement, le neutron est électriquement neutre. Le proton et le neutron ont un diamètre d'environ 1,6 fm ( femtomètre ) et ne sont pas eux-mêmes des particules élémentaires, mais sont construits à partir de quarks ponctuels selon le modèle standard de la physique des particules élémentaires . Trois quarks à la fois se lient pour former un nucléon en raison de l' interaction forte qui est médiée par les gluons . L'interaction forte est également responsable de la cohésion des nucléons dans le noyau atomique, en particulier l'attraction jusqu'à une distance d'environ 2,5 fm est nettement plus forte que la répulsion électrique mutuelle des protons. Cependant, en dessous d'environ 1,6 fm, la forte interaction des hadrons devient fortement répulsive. Pour le dire clairement, les nucléons du noyau se comportent un peu comme des sphères dures qui adhèrent les unes aux autres. Par conséquent, le volume du noyau augmente proportionnellement au nombre de nucléons (nombre de masse) . Son rayon est d'environ  fm.

Le noyau atomique le plus léger est constitué d'un seul proton. Plusieurs protons se repoussent selon l' électrostatique , mais avec un nombre approprié de neutrons, ils peuvent former un système stable. Mais même avec de petits écarts par rapport au rapport numérique énergétiquement le plus favorable, le noyau est instable et se transforme spontanément, car un neutron devient un proton ou vice versa et l'énergie et la charge libérées sont émises sous forme de rayonnement bêta . Les noyaux contenant jusqu'à environ 20 protons ne sont stables qu'à un rapport de presque 1 : 1 entre le nombre de neutrons et le nombre de protons. De plus, le rapport dans les noyaux atomiques stables passe de 1 : 1 à environ 1,5 : 1, car avec un plus grand nombre de protons, le nombre de neutrons doit croître plus rapidement que celui des protons en raison de leur répulsion électrostatique (pour plus de détails, voir le modèle de gouttelettes ) . L'énergie de liaison dans les noyaux stables (à l'exception des plus légers) est supérieure à 7 MeV par nucléon (voir figure) et dépasse ainsi l'énergie de liaison des électrons externes de la couche atomique ou l'énergie de liaison chimique dans les molécules stables d'environ 10 6 fois. Les noyaux avec un certain nombre de nucléons, appelés nombres magiques , par exemple l' hélium -4, l' oxygène -16 ou le plomb -208, sont particulièrement stables, ce qui peut s'expliquer avec le modèle en coquille du noyau atomique .

Au-dessus d'un nombre de 82 protons (c'est-à-dire au-delà du plomb), tous les noyaux sont instables. Ils sont convertis en noyaux plus légers en éjectant un noyau He-4 ( rayonnement alpha ). Cela se répète, avec le rayonnement bêta, jusqu'à ce qu'un noyau stable soit atteint ; plusieurs stades de désintégration forment une série de désintégration . Il n'y a pas non plus de noyau stable pour les nombres de protons 43 ( technétium ) et 61 ( prométhium ). Il ne peut donc y avoir au total que 80 éléments chimiques stables différents, tous les autres sont radioactifs. Ils ne se produisent naturellement sur terre que si eux-mêmes ou l'une de leurs substances mères ont une demi-vie suffisamment longue.

Dimensions

Étant donné que la majeure partie de la masse atomique provient des neutrons et des protons et que ceux-ci ont à peu près le même poids, le nombre total de ces particules dans un atome est appelé le nombre de masse . La masse exacte d'un atome est souvent donnée dans l' unité de masse atomique u; leur valeur numérique est alors à peu près égale au nombre de masse. De plus petites déviations proviennent du défaut de masse des noyaux atomiques. L'unité de masse atomique résulte de la définition de l'unité SI de la mole de telle sorte qu'un atome de l'isotope du carbone 12 C (à l'état fondamental y compris ses électrons de coquille) a une masse d'exactement 12 u. Cela signifie que 1 u est égal à 1,6053904 · 10 −27  kg. Un atome de l'isotope d'hydrogène le plus léger a une masse de 1,007825 U. Le nucléide stable le plus lourd est l'isotope du plomb 208 Pb avec une masse de 207.9766521 U.

Étant donné que les quantités macroscopiques de substance contiennent tellement d'atomes qu'il serait difficile de spécifier leur nombre en tant que nombre naturel, la quantité de substance a reçu sa propre unité, la mole . Une mole correspond à environ 6,022 · 10 23 atomes (ou molécules ou autres particules ; le type de particule considéré doit toujours être mentionné). La masse de 1 mole d'atomes de masse atomique X  u est donc exactement X  g. Il est donc courant en chimie de donner les masses atomiques indirectement en g/mol au lieu d'en u.

Formation et décomposition

La façon dont un noyau atomique instable se désintègre est typique pour le radionucléide concerné. Dans le cas de certains nucléides, les noyaux (qui sont complètement identiques les uns aux autres) peuvent également se désintégrer de différentes manières, de sorte que plusieurs canaux de désintégration avec certaines proportions sont impliqués. Les principales désintégrations radioactives sont

Illustration d'une fusion nucléaire : deux protons (ci-dessus) réagissent pour former un noyau de deutérium, composé d'un proton et d'un neutron. La réaction crée un positron e + (l' antiparticule de l'électron) et un neutrino électronique

Les énergies du rayonnement sont caractéristiques du nucléide respectif, tout comme la demi-vie , qui indique combien de temps il faut pour que la moitié d'un échantillon du nucléide se désintègre.

L'ajout d'un neutron peut transformer un noyau en l'isotope le plus lourd suivant du même élément. Lorsqu'il est bombardé de neutrons ou d'autres noyaux atomiques, un gros noyau atomique peut être divisé en plusieurs noyaux plus petits . Certains nucléides lourds peuvent se diviser spontanément sans aucune influence extérieure .

Des noyaux atomiques plus gros peuvent être formés à partir de noyaux plus petits. Ce processus est appelé fusion nucléaire . Pour une fusion, les noyaux atomiques doivent être très proches. Cette approche est contrée par la répulsion électrostatique des deux noyaux, la paroi dite de Coulomb . Pour cette raison, la fusion nucléaire (sauf dans certaines expériences) n'est possible qu'à des températures très élevées de plusieurs millions de degrés et des pressions élevées telles que celles trouvées à l'intérieur des étoiles. Avec des nucléides allant jusqu'au nickel 62, la fusion nucléaire est une réaction exothermique , de sorte qu'elle peut en grande partie se dérouler de manière autonome. C'est la source d'énergie des étoiles. Dans le cas des noyaux atomiques au-delà du nickel, l'énergie de liaison par nucléon diminue ; la fusion des noyaux atomiques plus lourds est donc endothermique et n'est donc pas un processus auto-entretenu. La fusion nucléaire dans les étoiles s'arrête lorsque les noyaux atomiques légers sont épuisés.

Coquille atomique

Structure et énergie de liaison

La couche atomique est constituée d'électrons liés au noyau atomique positif en raison de leur charge négative. On l'appelle souvent la couche électronique. Dans le cas d'un atome neutre avec des électrons, l'énergie de liaison moyenne par électron est d'environ . Elle augmente donc considérablement avec l'augmentation du nombre de particules, contrairement à l'énergie de liaison moyenne par nucléon dans le noyau, qui diminue même avec le nombre de masse . Pour l'expliquer, il est indiqué que seules des forces de liaison à courte portée agissent entre les nucléons, qui dépassent à peine les particules voisines, tandis que la coquille est liée par la force d'attraction électrostatique qui capture tous les électrons du noyau chargé.

Hormis la masse, qui est concentrée à plus de 99,95 % dans le noyau atomique, la coquille atomique est responsable de pratiquement toutes les propriétés externes de l'atome. Le terme modèle atomique ne désigne donc majoritairement que la coque au sens strict (voir liste des modèles atomiques ). Un modèle atomique simple est le modèle de couche , selon lequel les électrons sont disposés dans certaines couches autour du noyau, dans chacune desquelles il y a de la place pour un certain nombre d'électrons. Cependant, ces coques n'ont ni un rayon spécifique ni une épaisseur spécifique, mais se chevauchent et s'enfoncent partiellement l'une dans l'autre. Ils sont mieux séparés à l'échelle de l'énergie de liaison des électrons.

Interprétation des propriétés atomiques de base dans le contexte du modèle de coque

L'enveloppe atomique détermine la dépendance de la force et de la distance des forces entre deux atomes. Dans la plage de distance de plusieurs diamètres atomiques, les coquilles atomiques entières se polarisent, de sorte que les forces d'attraction, les forces de van der Waals , surviennent par attraction électrostatique . Surtout, ils provoquent la condensation des gaz pour former des liquides , c'est-à-dire une modification des états agrégés .

L' incompressibilité (approximative) des liquides et des solides, en revanche, repose sur le fait que tous les atomes se repoussent fortement lorsqu'ils se rapprochent dès que leurs coquilles se chevauchent sensiblement dans l'espace et doivent donc se déformer. Sauf dans le cas de deux atomes d' hydrogène , chacun avec un seul électron dans la couche, la répulsion électrostatique des deux noyaux atomiques ne joue qu'un rôle mineur.

Dans une plage de distance moyenne entre la prédominance des forces de van der Waals faiblement attractives et la forte répulsion, une attraction particulièrement forte, la liaison chimique, se produit entre deux ou plusieurs couches atomiques correspondantes . Dans le cas des atomes de certains éléments, cette attraction peut conduire à une molécule stable composée d'atomes dans un nombre et une disposition spatiale précisément définis. Les molécules sont les plus petites unités matérielles des composés chimiques, c'est-à-dire les matériaux homogènes dans toute leur diversité. Les molécules s'attirent également à travers les enveloppes de leurs atomes. Un corps solide est créé lorsque de nombreuses molécules se lient les unes aux autres et, parce que c'est énergétiquement favorable, adhèrent à un arrangement fixe. Si cet arrangement est régulier, un réseau cristallin se forme . En raison de cette liaison, le corps solide est non seulement largement incompressible comme un liquide, mais, contrairement à cela, peut également être soumis à des charges de traction et est nettement moins facilement déformé. Si des atomes d' éléments métalliques se connectent les uns aux autres, leur nombre n'est pas fixe et n'importe quelle taille et forme peuvent être formées. Les métaux chimiquement purs en particulier présentent alors généralement un degré élevé de ductilité . Les composés de différents métaux sont appelés alliages . La nature de la liaison des atomes métalliques explique pourquoi les électrons peuvent se déplacer presque librement à travers le réseau cristallin, ce qui est à l'origine de la grande conductivité électrique et thermique des métaux. En résumé, la stabilité mécanique et de nombreuses autres propriétés des matériaux macroscopiques résultent de l'interaction des coquilles atomiques entre elles.

En raison du bord flou de la couche atomique, la taille des atomes n'est pas clairement établie. Les valeurs tabulées sous forme de rayons atomiques sont obtenues à partir de la longueur de liaison , qui est la distance énergétiquement la plus favorable entre les noyaux atomiques dans une liaison chimique. Dans l'ensemble, avec l'augmentation du numéro atomique, il y a une variation approximativement périodique de la taille atomique, ce qui s'accorde bien avec la variation périodique du comportement chimique. Dans le tableau périodique des éléments, la règle générale est que dans une période, c'est-à-dire une ligne du système, un certain bol est rempli. La taille des atomes diminue de gauche à droite car la charge nucléaire augmente et donc toutes les coquilles sont plus fortement attirées. Si une certaine couche est remplie d'électrons fortement liés, l'atome appartient aux gaz rares . Avec l'électron suivant, la couche commence à se remplir de la prochaine énergie de liaison plus petite, qui est associée à un rayon plus grand. Au sein d'un groupe, c'est-à-dire une colonne du tableau périodique, la taille augmente donc de haut en bas. En conséquence, le plus petit atome est l'atome d'hélium à la fin de la première période avec un rayon de 32 pm, tandis que l'un des plus gros atomes est l' atome de césium , le premier atome de la 5ème période. Il a un rayon de 225 h.

Explication des propriétés atomiques dans le contexte du modèle orbital

Les couches d'électrons sur lesquelles le modèle de coque est basé résultent de la quantification des énergies des électrons dans le champ de force du noyau atomique selon les règles de la mécanique quantique . Diverses orbitales atomiques sont formées autour du noyau , qui sont des distributions de probabilité floues pour les états spatiaux possibles des électrons. En raison du principe de Pauli, chaque orbitale peut être remplie d'un maximum de deux électrons, la paire d'électrons . Les orbitales, qui auraient théoriquement la même énergie si l' on négligeait la répulsion mutuelle des électrons et la structure fine , forment une coquille. Les coquilles sont numérotées consécutivement avec le nombre quantique principal ou désignées consécutivement avec les lettres K, L, M, .... Des mesures plus précises montrent qu'à partir de la deuxième couche, tous les électrons d'une couche n'ont pas la même énergie. Si nécessaire, une certaine sous-couche est identifiée par le nombre quantique secondaire ou le nombre quantique de moment angulaire .

Si les orbitales, en commençant par le niveau d'énergie le plus bas, sont occupées par des électrons à un point tel que le nombre total d'électrons est égal au nombre de protons dans le noyau, l'atome est neutre et se trouve dans l'état fondamental. Si un ou plusieurs électrons d'un atome sont déplacés vers des orbitales avec des niveaux d'énergie plus élevés, l'atome est dans un état excité . Les énergies des états excités ont des valeurs bien définies pour chaque atome, qui forment son schéma de terme . Un atome excité peut dégager son excès d' énergie par collisions avec d'autres atomes, par l'émission d'un des électrons ( effet Auger ) ou par l'émission d'un photon , c'est-à-dire par génération de lumière ou de rayons X. A très haute température ou dans les décharges gazeuses les atomes peuvent par impact perdre des électrons (voir ionisation ), cela crée un plasma , par exemple. B. dans une flamme chaude ou dans une étoile.

Lignes d'absorption dans le spectre du soleil. De la lumière incidente, qui a un spectre continu, le rayonnement est absorbé à certaines longueurs d'onde, ce qui provoque les lignes noires.

Les énergies des quanta du rayonnement émis étant différentes selon l'atome ou la molécule et les états impliqués, la source peut généralement être clairement identifiée par spectroscopie de ce rayonnement. Par exemple, les atomes individuels montrent leur spectre de raie optique spécifique à l'élément . La raie D du sodium est connue, par exemple , une double raie dans le domaine spectral jaune à 588,99 nm et 589,59 nm, que l'on appelle aussi D-1 sur la figure ci-contre. Leur allumage indique la présence d'atomes de sodium excités, que ce soit au soleil ou sur la flamme du poêle en présence de sodium ou de ses sels. Étant donné que ce rayonnement peut également fournir à un atome la même énergie par absorption, les raies spectrales des éléments peuvent être observées à la fois dans les spectres d'absorption et d'émission. Ces raies spectrales peuvent également être utilisées pour mesurer très précisément des fréquences, par exemple pour les horloges atomiques .

Bien que les électrons se repoussent électrostatiquement, jusqu'à deux électrons supplémentaires peuvent être liés dans un atome neutre s'il existe des orbitales avec d'autres places libres à l'énergie électronique la plus élevée (voir affinité électronique ). Réactions chimiques , d. H. La connexion de plusieurs atomes à une molécule ou d' un grand nombre d' atomes à un solide s'explique par le fait qu'un ou deux électrons d' une des orbitales externes d' un atome ( électrons de valence ) se déplacent complètement vers une place libre dans un orbitale d'un atome voisin ( liaison ionique ) ou il y a une certaine probabilité que vous y soyez ( liaison covalente via une paire d'électrons de liaison ). L' électronégativité des éléments détermine à quel atome les électrons sont plus susceptibles d'être. En règle générale, les liaisons chimiques sont formées de telle sorte que les atomes reçoivent la configuration électronique d' un gaz noble ( règle des gaz nobles ). La forme et l'occupation de ses orbitales sont déterminantes pour le comportement chimique de l'atome. Étant donné que ceux-ci sont déterminés uniquement par le nombre de protons, tous les atomes avec le même nombre de protons, c'est-à-dire les isotopes d' un élément, présentent presque le même comportement chimique.

Si deux atomes se rapprochent encore plus au-delà de la liaison chimique, les électrons d'un atome doivent se déplacer vers des orbitales libres mais énergétiquement défavorables de l'autre atome en raison du principe de Pauli, ce qui entraîne un besoin en énergie accru et donc une force répulsive.

Interaction entre le noyau et la coque

L'interaction entre le noyau et la coque est décrite avec une grande précision par l'approche simple dans laquelle le noyau représente une source ponctuelle d'un champ électrostatique selon la loi de Coulomb . Tous les modèles atomiques mentionnés sont basés sur cela. En raison d'effets supplémentaires qui sont traités dans les modèles étendus, seules des corrections extrêmement petites sont nécessaires, qui sont résumées sous le nom de structure hyperfine . Il y a trois effets à considérer ici : premièrement, la taille finie de chaque noyau, deuxièmement, une interaction magnétique dipolaire lorsque le noyau et la couche ont un nombre quantique de moment angulaire d'au moins ½, et troisièmement, une interaction électrique quadripolaire lorsque les deux les nombres quantiques de quantité de mouvement sont au moins 1.

L'expansion finie du noyau - par rapport à une charge ponctuelle théorique - provoque une attraction plus faible de ces électrons, dont la probabilité s'étend dans le noyau. Seules les orbitales s ( moment angulaire orbital zéro) sont affectées . Dans le cas d'atomes de numéro atomique moyen, la correction de l'énergie de liaison est de l'ordre de 1 %. Les moments dipolaires magnétiques ou quadripolaires électriques de la coque et du noyau provoquent un couplage avec pour résultat que l'énergie totale d'un atome libre est très légèrement divisée en fonction du nombre quantique de son moment cinétique total . Dans l'atome H, la division est d'environ un millionième de l'énergie de liaison de l'électron (voir la ligne 21 cm ). En termes clairs, l'énergie dépend de l'angle auquel les axes des deux moments dipolaires magnétiques ou des moments quadripolaires électriques du noyau et de l'enveloppe sont l'un par rapport à l'autre.

Ces interactions sont également perceptibles sous une forme modifiée en conséquence dans le cas des atomes dans les liquides et les solides. Malgré la petite taille des effets qu'ils provoquent, ils ont joué un rôle majeur dans la recherche atomique et nucléaire et, dans des cas particuliers, sont également importants dans les applications modernes.

observation

Observation indirecte

Les manières indirectes de reconnaître les atomes reposent sur l'observation du rayonnement qu'ils émettent. Par exemple, la composition élémentaire d'étoiles lointaines peut être déterminée à partir de spectres atomiques. Les différents éléments peuvent être identifiés par des raies spectrales caractéristiques qui remontent à l'émission ou à l'absorption par les atomes de l'élément correspondant dans l'atmosphère de l'étoile. Les lampes à décharge qui contiennent le même élément montrent ces raies comme des raies d'émission. De cette façon, z. B. En 1868, l'hélium a été détecté dans le spectre du soleil - plus de 10 ans avant sa découverte sur terre.

Un atome peut être ionisé en enlevant un de ses électrons. La charge électrique garantit que la trajectoire d'un ion est déviée par un champ magnétique. Les ions légers sont déviés plus fortement que les lourds. Le spectromètre de masse utilise ce principe pour déterminer le rapport masse/charge des ions et donc la masse atomique .

La spectroscopie de perte d'énergie des électrons mesure la perte d'énergie d'un faisceau d'électrons lors de l'interaction avec un échantillon dans un microscope électronique à transmission .

Observation d'atomes isolés

Une image d'une surface d'or reconstruite avec une résolution atomique créée avec un microscope à effet tunnel .

Une image directe permettant de reconnaître des atomes individuels a été obtenue pour la première fois en 1951 avec le microscope ionique de champ (ou microscope à émission de champ ). Sur un écran sphérique, au centre duquel se trouve une pointe d'aiguille extrêmement fine, apparaît une image agrandie environ un million de fois. Les atomes supérieurs, qui forment la pointe, peuvent être vus les uns à côté des autres comme des points lumineux individuels. Aujourd'hui, cela peut également être démontré en classe de physique à l'école. L'image est créée en temps réel et permet z. B. la prise en compte du mouvement thermique des atomes étrangers individuels sur la pointe.

Le microscope à effet tunnel est également un appareil qui rend visibles des atomes individuels à la surface d'un corps. Il utilise l' effet tunnel , qui permet aux particules de franchir une barrière énergétique que, selon la physique classique, elles ne pourraient pas surmonter. Dans ce dispositif, les électrons traversent un espace de seulement quelques nanomètres de large entre une pointe électriquement conductrice et l'échantillon électriquement conducteur. Lors du déplacement latéral pour balayer l'échantillon, la hauteur de la pointe est réajustée de sorte que le même courant circule toujours. Le mouvement de la pointe représente la topographie et la structure électronique de la surface de l'échantillon. Comme le courant tunnel dépend beaucoup de la distance, la résolution latérale est beaucoup plus fine que le rayon de la pointe, parfois atomique.

Une sonde atomique tomographique crée une image tridimensionnelle avec une résolution inférieure au nanomètre et peut attribuer des atomes individuels à leur élément chimique.

S'appuyant sur une interface atome-lumière développée vers 2010, il a été possible en 2020 de prendre des photos d'atomes individuels qui planaient à moins d'un millième de millimètre au-dessus d'une fibre de verre conductrice de lumière. En conséquence, il est maintenant possible dans des conditions de laboratoire d'examiner des effets tels que l'absorption et l'émission de lumière d'une manière plus contrôlée qu'auparavant. Cela peut aider au développement de nouveaux réseaux de fibres optiques.

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liens web

Commons : Atoms  - collection d'images, de vidéos et de fichiers audio
Wiktionnaire : atome  - explications de sens, origines des mots, synonymes, traductions

Preuve individuelle

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