De l'atome au noyau


Où l'atome révèle sa structure interne ... (8/9)

Si, dans les années vingt, il ne faisait guère plus de doute que l'atome d'hydrogène, dans son état fondamental, voyait son seul électron occuper l'état d'énergie la plus basse, qu'en était-il des atomes constitués de plusieurs électrons ? Comment ces corpuscules se distribuaient-ils sur les différents états d'énergie permis ? Chaque état d'énergie pouvait-il accueillir un nombre limité d'électrons ? Si oui, ce nombre dépendait-il de l'état d'énergie considéré ? A toutes ces questions, Wilhelm Kossel (1888-1956) et Niels Bohr apportèrent un début de réponse. Le premier suggéra en effet que la stabilité des gaz rares que sont l'hélium (Z = 2), le néon (Z = 10) ou bien encore l'argon (Z = 18), pouvait résulter de la saturation de leurs orbites électroniques. Ce qui laissait supposer que la première couche électronique ne pouvait contenir que deux électrons ; la seconde huit électrons, la troisième huit électrons, ... S'ensuivit la formulation, en 1920, par Niels Bohr, de son principe de construction proposant de déterminer la configuration électronique des atomes par un remplissage progressif des niveaux d'énergie disponibles, dans l'ordre de leurs énergies croissantes, jusqu'à épuisement des électrons disponibles. Les nombres quantiques des électrons déjà présents dans un atome ne sont en aucun cas perturbés par l'adjonction d'un électron supplémentaire, postula-t-il par ailleurs en 1923. Seul le principe d'exclusion de Wolfgang Pauli (1900-1958) fournira toutefois un critère suffisant de saturation des couches électroniques.

Aux physiciens des années vingt se posait un autre problème, lié à la masse de l'atome celui-là. Comment expliquer par exemple que la masse de l'atome d'hélium équivale, non pas à la masse d'un noyau constitué de deux protons - autour duquel gravitent deux électrons -, mais à la masse d'un noyau constitué de quatre protons ? Se pouvait-il que le noyau de cet atome, que le noyau de tout atome, contienne, outre ces charges d'électricité positive, des particules neutres ? Des particules en nombre égal à celui des protons par exemple, de masse sensiblement égale à celle des protons, donc ? Oui, répondit James Chadwick (1891-1974) en 1932.






Portrait de James Chadwick (1891-1974)

Le physicien anglais venait de démontrer l'existence des neutrons, ces corpuscules de masse sensiblement égale à celle des protons et de charge électrique nulle. A cette époque, ils apparaissaient comme les seconds constituants fondamentaux du noyau atomique. Aujourd'hui, protons et neutrons sont plutôt considérés comme des états énergétiques différents d'une mème particule, le nucléon. Preuve en est la masse légèrement supérieure du neutron comparée à celle du proton ; preuve en est également la désintégration spontanée du neutron à l'état libre ou en surnombre par rapport au nombre de protons dans le noyau atomique, en un proton, un électron et un antineutrino :



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