L'atome

Un atome est composé d'un noyau et d'électrons. Le noyau lui-même de l'atome est composé de neutrons et de protons. Les neutrons sont des particules électriquement neutres. Les protons sont, électriquement, chargés positivement. Les électrons orbitent autour du noyau; ils sont, eux, chargés négativement. Les charges électriques des particules sub-atomiques déterminent comment elles se comportent les unes par rapport aux autres: les particules avec des charges opposées s'attirent; les particules avec des charges identiques se repoussent. Le nombre des protons de l'atome étant égal au nombre des électrons, et les neutrons étant neutres, l'ensemble est donc un atome électriquement en équilibre. Un atome est essentiellement fait de vide. Les distances, entre le noyau et les électrons, sont immenses. La forte interaction nucléaire qui lie les éléments dans un noyau atomique est essentiellement la même entre les protons et les neutrons. Pour les protons, cependant, la répulsion électrique entre les particules chargées identiquement s'additionne. Il existe une rupture de la symétrie miroir. Les neutrons agissent comme des modérateurs, au sein du noyau, évitant que les protons aux charges électriques identiques ne se repoussent les uns les autres. Les électrons ne sont pas divisables en particules plus petites. Les neutrons et les protons sont des assemblages de quarks

Le numéro atomique d'un atome (ou "Z") permet de connaître le nombre des protons qui se trouvent dans le noyau d'un atome, donc, le nombre d'électrons. 'A' représente le "nombre de masse" de l'atome; c'est le nombre total de protons et de neutrons. La masse d'un atome (elle se mesure en "amu") est approximativement égale au nombre de masse. Les "isotopes" sont des atomes d'un même élément mais dont le nombre de masse est différent (comme tout atome d'un même élément a toujours le même nombre de protons, la variation des isotopes ne peut être fondée que sur le nombre des neutrons)

Les atomes, d'une façon générale, sont essentiellement des ensembles stables. Certains d'entre eux, cependant -que ce soient, ou pas, des isotopes- subissent une radio-activité naturelle qui fait qu'ils se transforment en atomes d'autres éléments. Ce processus est réalisé par une modification du nombre des protons de ces atomes: lorsqu'un atome est sujet à radio-activité, il "expulse" des protons ou des neutrons. Lorsqu'un atome expulse en même temps 2 protons et 2 neutrons (ce qui représente le noyau de l'isotope hélium 4 de l'hélium), on appelle le processus la "radio-activité alpha" (de tels noyaux d'hélium 4 sont parfois appelés "particules alpha"). Une autre modalité de la radio-activité peut consister en ce que l'atome convertit un proton en neutron, ou réciproquement. Cet autre type de radio-activité est appelé la "radio-activité beta" et le processus doit faire en sorte de conserver à l'atome la même charge électrique (d'où qu'un neutron qui se transforme en proton doit obligatoirement produire un neutron (charge positive), un électron (charge négative) et un "anti-neutrino", qui est de charge neutre; et, lorqu'un proton se transforme en neutron, il doit produire un neutron, un anti-électron (ou "positron" -de charge positive) et un "électron neutrino" de charge neutre). Les particules résultant du processus beta sont appelées des "particules beta". Ce sont ces processus radio-actifs qui, pour ce qui est de l'astronomie, par exemple, produisent la chaleur du coeur des planètes, ou qui permettent la datation des roches et des éléments de l'Univers

Les noyaux des atomes et leurs électrons sont liés entre eux par ce qu'on appelle la "force électro-magnétique", qui est due au fait que les particules de charge électrique opposée s'attirent. Et le plus le noyau et les électrons sont proches l'un de l'autre, le plus l'attraction exercée est forte. Au sein du noyau, les protons et les neutrons sont, eux, liés entre eux, par la "force forte": la force forte est plus forte que la force électro-magnétique, laquelle ferait que les protons, de charge électrique identique, se repousseraient les uns les autres, amenant au fait que le noyau de l'atome ne pourrait pas exister. La force forte suppose aussi la présence des neutrons. La force forte ne s'exerce que sur de courtes distances et seules les protons et les neutrons voisins les uns des autres la ressentent. Lorsque la distance diminue encore, la force forte s'inverse, devenant une force répulsive. C'est cela, d'ailleurs, qui explique que protons et neutrons, au sein du noyau de l'atome, sont espacés de façon régulière. C'est la force forte qui détermine quel est le nombre de protons et de neutrons que l'on doit trouver dans le noyau d'un atome. La force forte s'exerce par le biais de particules médiatrices minuscules et transitoires, que l'on appelle des "pions". La transformation radio-active naturelle d'un atome, elle, enfin, est gouvernée par la "force faible". La force faible n'agit que sur des distances courtes mais elle affecte toutes les particules de l'atome. La force faible peut changer une particule en une autre -ainsi, comme on l'a vu, un proton en neutron. La gravité, elle, cette autre force fondamentale de l'Univers, n'est pas apparente au niveau des particules atomiques

Les atomes, dans la physique contemporaine, relèvent de ce champ particulier qu'en est la physique quantique. La physique quantique fonctionne sur ce postulat fondamental que la matière agit à la fois en tant que particule et en tant qu'onde. En fait, au niveau de l'atome, cela vaut surtout pour les électrons. Cette explication quantique de l'atome a suivi les explications plus classiques de Rutherford (1911: l'atome était expliqué comme un système solaire) et de Bohr (les orbites des électrons d'un atome ont un rayon aléatoire). Lorsque l'on dit que la physique quantique s'applique surtout à la description des électrons de l'atome, cela signifie également qu'elle détermine surtout la faculté des atomes à se lier l'un à l'autre, aussi bien ce qu'on appelle le "niveau d'énergie" des atomes. La vision du mouvement d'un électron autour du noyau de l'atome, de nos jours, n'est plus vue comme une orbite stable et bien définie. On la définit au contraire comme un ensemble flou d'orbites ou comme un "nuage de positions possibles". Un tel nuage est appelé une "orbitale". Il peut avoir une forme circulaire, ou une forme en deux lobes. Les zones de plus forte densité du nuage permettent de déduire que les électrons ont le plus de probabilité de se trouver dans celles-ci. Pour continuer cette description nouvelle de l'atome, les électrons, autour du noyau, sont organisés en "shells", en couches, avec sous-couches. Chacune de ces couches groupe les électrons qui ont une orbitale semblable. Le plus une couche est loin du noyau, le plus, habituellement, l'énergie des électrons est élevée. La stabilité de l'atome, à ce niveau de l'interaction entre le noyau et les électrons, est due au fait que les électrons orbitent à des distances telles que leurs différentes longueurs d'onde construisent une interférence positive, laquelle renforce les longueurs d'onde. De plus, la description quantique de l'atome permet de décrire comment les atomes interagissent entre eux: c'est la structure des nuages d'électrons qui détermine cette interaction. Si la couche ("shell") la plus externe d'électrons est incomplète -si, donc, l'atome est instable- l'atome interagira plus facilement: il échangera -ou partagera- des électrons avec un ou plusieurs autres atomes. Le phénomène est dû au fait que les atomes recherchent toujours le plus bas niveau d'énergie possible; aussi, dans ce cas, cela leur requiert moins d'énergie de combler leur couche la plus extérieure en se liant à d'autres atomes que d'une autre manière. On appelle cette dernière couche d'électrons la "couche de valence" ("valence shell"). Selon comment elles ont lieu, les interactions entre atomes peuvent prendre plusieurs formes. Il y a "lien covalent" ("covalent bond") quand les atomes partagent un ou plusieurs électrons par le biais de leurs couches de valence. Les molécules -des ensembles d'atomes- ainsi, ne se fondent que sur ce type d'interaction. Il y a "lien ionique" ("ionic bond") lorsque les atomes ayant gagné -ou perdu- des électrons dans leur couche de valence -et donc ayant acquis une charge électrique (on appelle ces atomes, de façon célèbre, des "ions"; les "cations" sont les ions à charge positive; les "anions" ceux à charge négative), se lient entre eux sur la base de cette différence de charge électrique. Les liaisons de ce type sont habituellement à la base des cristaux et des sels. Un dernier type d'interaction, enfin, le "lien métallique", a lieu lorsque les atomes partagent totalement leur couche de valence; le résultat en est un cristal qui présente, cependant, cette particularité que les électrons se déplacent librement en son sein. C'est pourquoi, d'ailleurs, les métaux sont de bons conducteurs d'électricité. La description des électrons en couches ("shells") par la physique quantique, enfin, permet également la description des changements d'énergie des électrons. Un atome, au repos, tend naturellement au plus bas niveau d'énergie possible (cela signifie que tous ses électrons sont à leurs places dans les orbitales et dans les couches). Lorsque l'atome est frappé par un autre atome, ou par une particule, il acquiert une énergie supplémentaire. L'explication en est, au plan de la physique quantique, que ses électrons passent sur une orbitale supérieure. Puis ces électrons retombent à leur niveau d'origine en relâchant l'énergie dont ils avaient été augmentés. Cet énergie, dissipée sous cette forme, prend la forme d'un photon. Ces photons vont des rayons-X à la partie visible de la lumière, selon l'énergie qui a été en jeu

Un microscope quantique a permis, en juin 2013, la première observation directe de la structure orbitale d'un atome ionisé d'hydrogène: on a bombardé l'atome avec un laser pour éjecter son électron, lequel a suivi soit des trajectoires directes soit indirectes. La différence de phase entre celles-ci a produit un système d'interférence, qui a pu être photographié. L'atome ionisé peut prendre différentes formes fonction de cette ionisation