Lettre de Kasuku  N°7

Autopsie d'un atome

Les divers organes d'un atome

Les physiciens et les chimistes qui ont étudié l'anatomie des atomes, ont découvert qu'ils étaient constitués d'électrons, petites particules extrêmement légères, - elles pèsent environ 0.00054 grons* - porteuses chacune d'une charge électrique négative. Extrêmement agités, ces électrons parcourent, dans une ronde vertigineuse, des orbites très diverses autour d'un noyau central extrêmement petit qui constitue le cœur de l'atome. Le volume grossièrement sphérique défini par les orbites extérieures des électrons constitue le volume de l'atome, déterminant du même coup sa taille.

Le cœur de l'atome est constitué de deux sortes de particules, les neutrons et les protons, qui sont agglutinés en son centre, maintenus ensemble par des forces très puissantes, formant un noyau dont le rayon est environ 100.000 fois plus petit que celui de l'atome lui-même ! 

* le gron est une unité de masse imaginée à des fins pédagogiques dans le "Monde étrange des Atomes" et qui est sensée être égale au douzième de la masse de l'atome de carbone (isotope ¹²C)

Les principaux organes des atomes : le proton montre des caractères masculins, le neutron est un célibataire endurci et le petit électron se comporte comme une dame.

Les constituants fondamentaux de l'atome sont donc :

Les constituants fondamentaux de l'atome sont donc :

• Le proton, particule comportant une charge électrique positive. Il pèse environ 1 gron. Il en faut 602'200 milliards de milliards pour faire un gramme! Cela correspond approximativement au poids d'un des frères Hydrogène.
• Le neutron, particule de poids presque identique à celui du proton, mais sans charge électrique.
• L'électron, particule environ 1840 fois plus légère qu'un neutron ou qu'un proton, comportant une charge électrique négative. Au repos, un atome possède autant d'électrons que de protons.

Au repos, un atome possède autant d'électrons que de protons.

Le nombre de protons caractérise chaque famille d'atomes

C'est le nombre de protons qui détermine la famille à laquelle un atome appartient. Ce nombre correspond à ce que les chimistes appellent le numéro atomique. On a dénombré dans la nature 92 familles d'atomes. Le plus petit léger d'entre eux, l'hydrogène ne possède qu'un seul proton. Le plus lourd, l'uranium, en possède 92. Pour connaître le poids atomique d'un atome il faut encore ajouter au poids des protons celui des neutrons.

Autopsie de l'atome de potassium

L'atome de potassium est constitué de 19 protons, 19 électrons et 20 neutrons

Si, par exemple, on pratique l'autopsie d'un atome de potassium, on constate qu'il est constitué de 19 protons, 19 électrons et 20 neutrons. Le poids atomique du potassium devrait donc être égal au total des poids des protons, neutrons et électrons qui le composent. Faisons donc le calcul :

Mais voilà, une surprise nous attend : en consultant le tableau périodique des éléments, on trouve pour le potassium un poids de 39,0983 et non 39.295, la somme des poids de ses  composants que nous venons de calculer.

D'où vient donc l'erreur ?

Chaque fois qu'on essaye de comparer la masse atomique d'un atome avec la masse totale de tous ses constituants, on constate une petite différence de masse. Et c'est là qu'Albert Einstein a trouvé une explication révolutionnaire en nous expliquant qu'il y avait un lien étroit entre la masse et l'énergie. Ce lien s'exprime à travers sa fameuse équation :

ce qui signifie en clair que l'énergie [E] est égale à la masse [m] multipliée par le carré de la vitesse de la lumière [c]. 

La différence de masse constatée au sein de notre atome de potassium, a été transformée en l'énergie nécessaire pour maintenir confinés au cœur de l'atome les protons qui devraient exploser sous l'influence de l'énorme force de répulsion électromagnétique induite par leur charge électrique de même signe. Cette force, qui assure la cohésion des noyaux d'atomes, est appelée interaction forte. Elle est très puissante mais sa zone d'influence, très réduite, ne s'exerce qu'à l'intérieur du noyau des atomes. C'est ce qu'on appelle l'énergie de liaison. C'est aussi l'énergie qu'il faut apporter à l'atome pour en séparer les constituants.

Au CERN on casse tout 

 De même qu'il faut casser une tirelire pour voir ce qu'il y a à l'intérieur, de même il faut casser les atomes pour identifier leurs constituants. Si un simple marteau suffit pour une tirelire, il faut des marteaux particulièrement puissants pour casser un noyau d'atome. 

Les accélérateurs du CERN sont les "super marteaux" des physiciens. Ils permettent d'organiser des collisions qui apportent aux particules l'énergie nécessaire pour se libérer de l'emprise de l'interaction forte, cette force qui rend possible la cohésion du noyau. 

Le procédé consiste donc à accélérer les atomes et les amener à une vitesse la plus proche possible de celle de la lumière et les diriger sur des cibles que sont d'autres atomes. L'énergie nécessaire doit être supérieure à l'énergie de liaison qui maintient ensembles les particules qui constituent les noyaux des atomes.

Le super marteau du Cern pour briser les noyaux d'atomes

Le LHC du Cern est un accélérateur circulaire de 27 km de circonférence. Il accélère soit des protons, soit des ions lourds. Ces particules parcourent la circonférence plus de 11'000 fois par seconde et elles atteignent une vitesse très proche de celle de la lumière.

Pour en savoir plus : https://kasuku.ch/au-coeur-de-latome/