À l'intérieur d'un atome

Si un atome avait la taille d'un stade de football, son noyau aurait à peu près la taille d'un petit pois placé au centre.

Coupe une feuille d'aluminium en deux, puis encore en deux, et continue. Bien avant d'arriver au bout de la feuille, tu atteindrais un morceau si petit que le couper une fois de plus ne donnerait plus de l'aluminium. Ce plus petit morceau est un atome. Un atome mesure environ un dix-milliardième de mètre, bien trop petit pour être vu avec n'importe quel microscope optique, et pourtant chaque atome est construit avec seulement trois sortes de particules.

Trois particules

Les protons et les neutrons sont serrés dans un minuscule noyau au centre, qui contient presque toute la masse de l'atome. Les électrons se répartissent autour, et ils occupent presque tout l'espace de l'atome. Le diamètre d'un noyau est environ 10 000 à 100 000 fois plus petit que celui de l'atome entier. Le NIST indique que le proton est 1836.15 fois plus lourd que l'électron, donc même un atome qui a beaucoup d'électrons leur doit bien moins de 1 % de sa masse.

Les charges opposées s'attirent, donc les électrons négatifs sont retenus près du noyau positif. Les protons, en revanche, se repoussent, et un noyau qui en contient plusieurs volerait en éclats si la force électrique était la seule à agir. Une force beaucoup plus intense, appelée interaction forte, maintient ensemble protons et neutrons, mais seulement sur les distances minuscules à l'intérieur d'un noyau.

Le numéro atomique

Le nombre de protons décide de quel élément il s'agit. Tout atome qui a 6 protons est du carbone, et tout atome qui en a 8 est de l'oxygène. Ce nombre est le numéro atomique, et le tableau périodique est rangé dans son ordre, à partir de l'hydrogène, qui a 1 proton. Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, donc les charges se compensent. Si un atome perd ou gagne des électrons, il devient un ion : le sodium qui a perdu un électron a 11 protons et 10 électrons, donc il porte une charge de +1.

Nombre de masse et isotopes

Les protons plus les neutrons donnent le nombre de masse. Les atomes d'un même élément peuvent avoir des nombres de neutrons différents. Ce sont des isotopes. Le carbone 12 a 6 neutrons, et le carbone 14, qui sert à dater les objets anciens, en a 8. Le nombre après le nom est le nombre de masse, donc le nombre de neutrons est toujours le nombre de masse moins le numéro atomique.

Comment on l'a découvert

Personne n'a jamais regardé un proton à travers une lentille. Chaque particule a été déduite d'expériences. En 1897, J. J. Thomson, au laboratoire Cavendish de Cambridge, a montré que les rayons cathodiques étaient faits de minuscules particules négatives bien plus légères que n'importe quel atome : les électrons. L'équipe d'Ernest Rutherford a bombardé une fine feuille d'or avec des particules alpha rapides, et quelques-unes ont rebondi presque droit en arrière. En 1911, Rutherford l'a expliqué par un noyau petit, lourd et positif. James Chadwick a prouvé en 1932 que le noyau contient aussi des particules sans charge, les neutrons, ce qui lui a valu le prix Nobel de physique 1935.