L'atome révélé
L’atome révélé, c’est l’histoire d’une conquête scientifique du début du XXe siècle : en une quinzaine d’années, les physiciens sont passés d’une hypothèse discutée à une image précise de la structure de l’atome, avec un noyau central entouré d’électrons. Cette révolution a ouvert la voie à la physique quantique.
Un objet longtemps hypothétique
Au début du XXe siècle, la théorie atomique et moléculaire était défendue depuis longtemps par les chimistes et utilisée par les thermodynamiciens pour expliquer, notamment, le comportement des gaz. Mais certains savants doutaient encore de la réalité physique des atomes, qu’ils tenaient pour une simple commodité de calcul.
La preuve décisive est venue de l’étude du mouvement brownien, l’agitation désordonnée de petites particules en suspension dans un liquide. En 1905, Albert Einstein en a donné une théorie fondée sur les chocs des molécules ; le Français Jean Perrin l’a vérifiée par des expériences minutieuses à partir de 1908, ce qui lui a valu le prix Nobel de physique en 1926. Dès lors, l’existence des atomes n’était plus contestée. Restait à comprendre de quoi ils étaient faits.
Le « pudding » de Thomson
En 1897, le physicien anglais Joseph John Thomson avait découvert l’électron, particule de charge négative bien plus légère que l’atome. Puisque l’atome est électriquement neutre, il devait aussi contenir une charge positive. Thomson imagina en 1904 un modèle resté célèbre sous le nom de « plum-pudding » : une sphère chargée positivement de manière uniforme, dans laquelle les électrons sont répartis comme les raisins dans un gâteau.
Ce modèle n’était pas aussi naïf que l’image le laisse croire. Thomson supposait que les électrons, à l’intérieur de la sphère, étaient animés de mouvements vibratoires. Le Néerlandais Hendrik Lorentz avait développé mathématiquement une théorie des électrons qui permettait d’expliquer certains aspects de l’émission et de l’absorption de la lumière par la matière. Mais ces représentations restaient largement qualitatives.
Rutherford découvre le noyau
À l’université de Manchester, Ernest Rutherford fit bombarder de fines feuilles d’or par des particules alpha. En 1909, ses collaborateurs Hans Geiger et Ernest Marsden constatèrent que, si la plupart des particules traversaient la feuille presque sans être déviées, quelques-unes rebondissaient fortement, parfois vers l’arrière. Le modèle de Thomson ne pouvait pas l’expliquer.
En 1911, Rutherford en tira une conclusion audacieuse : presque toute la masse et toute la charge positive de l’atome sont concentrées dans un noyau minuscule, autour duquel gravitent les électrons. L’atome est donc essentiellement fait de vide.
Bohr et les orbites quantifiées
Le modèle de Rutherford posait un problème : selon la physique classique, un électron en orbite devrait rayonner de l’énergie et s’écraser sur le noyau. En 1913, le Danois Niels Bohr, qui avait travaillé auprès de Rutherford, proposa que les électrons ne puissent occuper que certaines orbites, d’énergie bien déterminée, et qu’ils émettent ou absorbent de la lumière seulement en passant de l’une à l’autre. Son modèle rendait compte avec précision des raies du spectre de l’hydrogène.
Une révolution en marche
Le modèle de Bohr fut à son tour dépassé, dans les années 1920, par la mécanique quantique, qui remplace les orbites par des probabilités de présence. La découverte du neutron par James Chadwick, en 1932, compléta la description du noyau. Mais c’est entre 1897 et 1913 que l’atome a cessé d’être une hypothèse pour devenir un objet dont on connaît la structure.
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