Voyage vers l'infiniment petit
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Introduction

Les briques élémentaires de la matière

Il y a longtemps que l'homme s'interroge sur les constituants les plus petits de la matière. Au IVe siècle av. J.-C., les philosophes grecs Leucippe et Démocrite émettent l'hypothèse que toute matière est composée de particules minuscules, invisibles à l'œil nu, en mouvement perpétuel, très solides et éternelles : les atomes, du mot grec atomos qui signifie indivisible.

Démocrite (460-370 av. J.-C.), philosophe grec, développe la théorie atomiste : l'Univers n'est constitué que d'atomes et de vide, tous les corps sont formés par des combinaisons d'atomes.

Il a fallu plus de vingt siècles pour que ce concept resurgisse : en 1818, après avoir étudié de nombreuses réactions chimiques, John Dalton établit que chaque substance chimique est formée d'atomes, indivisibles. En 1811, Amedeo Avogadro émet l'idée que les atomes se combinent pour former des molécules et évalue la taille des atomes, de l'ordre de 10-10 m.

John Dalton (1766-1844), chimiste et physicien anglais, fondateur de la théorie atomique : la matière est composée d'atomes de masses différentes qui se combinent selon des proportions simples (c'est-à-dire selon des rapports de nombres entiers petits). Il étudie les mélanges gazeux et énonce la loi des pressions partielles, pose les bases scientifiques de la météorologie et décrit sa propre déficience visuelle, le daltonisme.

Amedeo Avogadro (1776-1856), physicien et chimiste italien, énonce la loi qui porte son nom : deux volumes identiques de gaz, dans des conditions de température et de pression identiques, contiennent le même nombre de molécules. Il est le premier à comprendre la différence entre atome et molécule et établit les formules de plusieurs espèces chimiques.

À la fin du XIXe siècle, Joseph John Thomson montre que l'atome n'est pas une particule élémentaire mais qu'il contient lui-même des particules négatives, appelées électrons. Il établit ainsi le premier modèle de l'atome : les électrons, chargés négativement, sont immergés dans une masse positive, « comme les raisins dans un gâteau ».

Joseph John Thomson (1856-1940), physicien anglais, professeur à Trinity College (Cambridge), membre des laboratoires Cavendish. Ses travaux sur la conduction de l'électricité par les gaz le conduisent à la découverte de l'électron en 1897. Prix Nobel de physique en 1906.

En 1911, Ernest Rutherford précise la structure de l'atome. Quand il bombarde une mince feuille d'or avec des particules α (noyau de l'atome d'hélium), la majorité des particules traverse la feuille d'or en subissant une légère déviation, mais certaines sont rejetées en arrière. Ce dernier phénomène ne peut se produire que si la charge positive est concentrée dans une petite partie centrale de l'atome, appelée noyau atomique, dont la taille est de l'ordre de 10-14 m : l'atome est « plus creux que plein ». Les électrons tourneraient autour du noyau comme les planètes du système solaire gravitent autour du Soleil.

Ernest Rutherford (1871-1937), physicien britannique d'origine néo-zélandaise, professeur aux universités de McGill, Manchester et Cambridge. Il identifie les désintégrations radioactives, étudie les transmutations des éléments chimiques, découvre les particules α et les utilise pour provoquer des désintégrations d'éléments chimiques, élabore le modèle atomique qui porte son nom et découvre le proton. Il est considéré comme le fondateur de la physique nucléaire. Prix Nobel de chimie en 1908.

Le modèle atomique de Rutherford n'était pas satisfaisant car il était instable. En effet, selon les lois de l'électromagnétisme, toute particule chargée ayant un mouvement accéléré émet du rayonnement électromagnétique. D'après le modèle de Rutherford, les électrons, dans leur mouvement circulaire autour du noyau atomique, devraient donc émettre du rayonnement, perdre leur énergie et tomber sur le noyau atomique.

Ce problème conduit Niels Bohr à émettre en 1913 des hypothèses audacieuses : les orbites circulaires des électrons sont stables et leur rayon a une valeur fixe. C'est en émettant ou en absorbant un photon que l'électron peut passer d'une orbite à une autre. Bohr applique ces hypothèses à l'atome le plus simple, celui d'hydrogène, et son explication des niveaux d'énergie connaît un grand succès.

Niels Bohr (1885-1962), physicien danois, professeur à l'Université de Copenhague. Il applique les premiers éléments de la mécanique quantique à la structure de l'atome en construisant le modèle qui porte son nom, contribue à l'interprétation de la mécanique quantique et modélise le noyau atomique et la fission nucléaire. Il fonde à Copenhague l'Institut de Physique Théorique qui, dans la première moitié du XXe siècle, regroupe une pépinière de jeunes physiciens. Prix Nobel de physique en 1922.

En 1918, Rutherford bombarde de l'azote avec des particules α et trouve des traces d'hydrogène. Il en conclut que le noyau d'hydrogène est une particule élémentaire qui entre dans la constitution du noyau atomique et l'appelle proton, du grec protos, qui signifie premier.

En 1932, James Chadwick bombarde du béryllium avec des particules α et met en évidence un flux de particules électriquement neutres et de masse voisine à celle du proton : il découvre le neutron.

James Chadwick (1891-1974), physicien anglais. Après des études à Manchester, Cambridge et Berlin, il travaille dans les laboratoires Cavendish (Cambridge) avec Ernest Rutherford. Il découvre le neutron en 1932. Prix Nobel de physique en 1935.

Ce sont les interactions entre particules élémentaires qui entraînent la formation des objets qui nous entourent. L'histoire de la découverte des particules élémentaires est intimement liée à celle de leurs interactions.