Comment avons-nous compris que les atomes existent ?

Paul M. Sutter est astrophysicien à l’Université d’État de l’Ohio, animateur de « Ask a Spaceman » et de « Space Radio », et auteur de « Your Place in the Universe » (Prometheus Books, 2018). Sutter a contribué à cet article dans le cadre des Voix d’experts de Space.com : Op-Ed & Insights.

En 1808, le chimiste John Dalton a développé un argument très convaincant qui a conduit à une réalisation étonnante : Peut-être que toute la matière (c’est-à-dire les trucs, les choses, les objets) est faite de minuscules, petits bits. Des bits fondamentaux. Des bits indivisibles. Des bits atomiques. Des atomes.

Le concept flottait par intermittence depuis quelques millénaires. Les cultures anciennes étaient certainement conscientes de l’idée générale selon laquelle la matière était composée d’éléments plus fondamentaux (même si elles étaient assez en désaccord sur ce qui comptait exactement comme un élément) et savaient que ces éléments se combinaient de manière intéressante et fructueuse pour fabriquer des choses complexes, comme des chaises et de la bière. Mais au cours de ces millénaires, la question a persisté : si j’isolais un seul élément et que je le coupais en deux, puis que je coupais ces moitiés en deux, et ainsi de suite, est-ce que je finirais par trouver un morceau d’élément le plus petit possible que je ne pourrais plus couper ? Ou bien cela continuerait-il à l’infini ?

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Après des années d’examen minutieux, Dalton a découvert une relation surprenante entre les éléments. Parfois, deux éléments peuvent se combiner pour former divers composés de multiples façons avec des proportions différentes, comme peuvent le faire l’étain et l’oxygène. Mais les proportions de chaque élément dans les diverses combinaisons se réduisaient toujours à de très petits nombres. Si la matière était divisible à l’infini, sans le plus petit morceau possible, alors n’importe quelle proportion devrait être autorisée.

Au lieu de cela, il a constaté qu’une certaine quantité d’un élément pouvait se combiner avec une quantité égale d’un autre élément. Ou avec deux ou trois fois l’autre élément. Dalton ne trouvait que des proportions simples, partout, dans tous les cas. Si la matière était finalement indivisible, si elle était faite d’atomes, alors seuls des proportions et des rapports simples seraient autorisés lors de la combinaison des éléments.

Des masses énormes

Un siècle plus tard, cette théorie « atomique » de la matière ne semblait pas complètement insensée. L’une des choses les plus difficiles à propos de cette théorie, cependant, était que si les atomes existaient vraiment, ils étaient beaucoup, beaucoup trop petits pour être vus. Comment prouver l’existence de quelque chose que vous ne pouviez pas observer directement ?

Un indice de l’existence des atomes est venu des études nouvellement établies de la thermodynamique. Afin de comprendre le fonctionnement des moteurs thermiques – ainsi que tous les concepts connexes comme la température, la pression et l’entropie – les physiciens ont réalisé qu’ils pouvaient considérer les gaz et les fluides comme s’ils étaient composés d’une quantité presque infinie de particules minuscules, voire microscopiques. Par exemple, la « température » mesure réellement le mouvement moyen de toutes ces particules de gaz qui frappent votre thermomètre, lui transférant leur énergie.

C’était assez convaincant, et Albert Einstein était un grand fan de ce genre de physique. Comme toutes les autres physiques dont il est devenu fan, Einstein les a révolutionnées.

Il était notamment intéressé par le problème du mouvement brownien, décrit pour la première fois en 1827 par Robert Brown (d’où le nom). Si vous laissez tomber un gros grain à l’intérieur d’un fluide, l’objet a tendance à s’agiter et à sauter tout seul. Et après quelques expériences soigneusement exécutées, Brown s’est rendu compte que cela n’a rien à voir avec les courants d’air ou de fluide.

Le mouvement brownien n’était qu’un de ces faits aléatoires inexpliqués de la vie, mais Einstein y a vu un indice. En traitant le fluide comme quelque chose composé d’atomes, il a pu dériver une formule pour savoir de combien les innombrables collisions des particules du fluide bousculeraient ce grain. Et en plaçant cette connexion sur un terrain mathématique solide, il a pu fournir une voie pour passer de quelque chose que vous pouvez voir (combien le grain se déplace en un temps donné) à quelque chose que vous ne pouvez pas (la masse des particules du fluide).

En d’autres termes, Einstein nous a donné un moyen de peser un atome.

Ces « états unis »

Et juste au moment où les gens se sentaient à l’aise avec la taille de ces minuscules morceaux de matière, pensant qu’il devait s’agir des plus petites choses possibles, quelqu’un est venu compliquer la chose.

Ouvrant parallèlement à Einstein, un expérimentateur merveilleusement doué du nom de J.J. Thomson. À la fin des années 1800, il s’est passionné pour des faisceaux de lumière fantomatiques connus sous le nom de rayons cathodiques. Si vous collez quelques électrodes à l’intérieur d’un tube en verre, aspirez tout l’air du tube, puis augmentez la tension sur les électrodes, vous obtenez une lueur effervescente qui semble émaner de l’une des électrodes, la cathode, pour être exact. D’où les rayons cathodiques.

Ce phénomène a soulevé des questions chez les physiciens. Qu’est-ce qui produisait cette lueur ? Comment les charges – dont on savait à l’époque qu’elles étaient liées au concept d’électricité mais autrement mystérieuses – étaient-elles liées à cette lueur ? Thomson a résolu le problème a) en fabriquant le meilleur tube à vide qui soit et b) en plaçant l’ensemble de l’appareil dans des champs électriques et magnétiques extrêmement puissants. Si des charges étaient en quelque sorte impliquées dans cette affaire de rayon cathodique, alors vous feriez mieux de croire qu’elles écouteraient ces champs.

Et elles ont écouté. Le rayon cathodique se plierait sous l’influence des champs électriques et magnétiques. Fascinant ! Cela signifiait que la partie lumineuse était liée aux charges elles-mêmes ; si la lumière était en quelque sorte séparée des charges, elle naviguerait tout droit à travers, sans tenir compte de l’interférence des champs. Et cela signifiait également que les rayons cathodiques étaient faits de la même matière que l’électricité.

En comparant la quantité de déviation des rayons dans les champs électriques par rapport aux champs magnétiques, Thomson pouvait dériver quelques mathématiques et travailler sur certaines propriétés de ces charges. Et c’est là que J.J. a gagné son prix Nobel : Ces « corpuscules » (son mot) étaient environ 2 000 fois plus petits que l’hydrogène, l’élément connu le plus léger et donc le plus petit atome. Ces « électrons » (le mot de tout le monde) étaient vraiment remarquables.

Argent et or

C’était à la génération suivante de scientifiques de résoudre les énigmes soulevées par les résultats de Thomson. La plus importante : Comment quelque chose peut-il être plus petit qu’un atome, et qu’est-ce que cela signifie pour la structure des atomes eux-mêmes ?

C’est Ernest Rutherford, ancien élève de Thomson, ainsi que ses propres étudiants Hans Geiger et Ernest Marsden, qui ont décidé de tirer des objets sur de l’or pour voir ce qui se passerait. Les scientifiques ont choisi l’or parce qu’ils pouvaient fabriquer des feuilles très fines de ce matériau, ce qui leur permettait d’être sûrs qu’ils sondaient la physique atomique. Et ils ont tiré de très petites balles : des particules alpha, qui sont des atomes d’hélium chargés. Ces particules sont petites, lourdes et rapides – les balles scientifiques parfaites.

Alors que les chercheurs s’adonnaient à l’entraînement au tir, la plupart des particules alpha ont traversé l’or comme s’il s’agissait de papier de soie. Mais de temps en temps, les particules partaient en carène dans une direction aléatoire. Et une fois de temps en temps (environ 1 tir sur 20 000, et oui, les scientifiques ont compté manuellement), une particule alpha a ricoché sur l’or, et est repartie comme elle était venue.

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Etonnant ! Que nous disaient ces petites particules sur les atomes d’or ? La seule explication qui avait du sens, ont conclu les chercheurs, était que la grande majorité de la masse de l’atome était concentrée dans un très petit volume. Et ce « noyau » devait être chargé positivement. Puisque la charge totale de l’atome devait être neutre, alors les électrons devaient être très très petits et nageurs, orbitant ou dansant autour de ce noyau dans un nuage lâche.

Donc, lorsque les particules alpha ont explosé, elles ont presque toujours rencontré un espace vide pur et simple. Mais une particule sévèrement malchanceuse pouvait glisser sur le noyau – ou pire, le frapper de plein fouet – et modifier radicalement la trajectoire de la balle.

C’est ainsi que, près de cent ans après que Dalton ait soutenu de manière concluante l’existence de l’atome indivisible, et au moment même où Einstein fournissait un moyen de mesurer directement ces atomes, Thomson et Rutherford ont découvert que l’atome n’était pas du tout indivisible. Au contraire, il était constitué de morceaux encore plus petits.

Donc, en même temps que nous avons solidifié la théorie atomique, nous avons eu notre premier aperçu du monde subatomique. À partir de là, c’est devenu beaucoup plus désordonné.

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Pour en savoir plus, écoutez l’épisode « Comment avons-nous découvert que la matière est faite d’atomes ? » sur le podcast  » Ask a Spaceman « , disponible sur iTunes et sur le web à l’adresse http://www.askaspaceman.com. Merci à Bill S. pour les questions qui ont mené à cet article ! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter. Suivez-nous sur Twitter @Spacedotcom et sur Facebook.

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