redresse=1.25|vignette|Représentation d'un atome d' avec, apparaissant rosé au centre, le noyau atomique et, en dégradé de gris tout autour, le nuage électronique. Le noyau d', agrandi à droite, est formé de deux protons et de deux neutrons. redresse=1.25|vignette|Atomes de carbone à la surface de graphite observés par microscope à effet tunnel.
Un atome. est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec un autre. Les atomes sont les constituants élémentaires de toutes les substances solides, liquides ou gazeuses. Les propriétés physiques et chimiques de ces substances sont déterminées par les atomes qui les constituent ainsi que par l'arrangement tridimensionnel de ces atomes.
Contrairement à ce que leur étymologie suggère (en grec ancien, signifie « insécable »), les atomes ne sont pas indivisibles, mais sont constitués de particules subatomiques.. Ils comprennent un noyau, qui concentre plus de 99,9 % de leur masse, autour duquel se distribuent des électrons, qui forment un nuage à plus étendu que le noyau lui-même.., de sorte que le volume d'un atome, grossièrement sphérique, est presque entièrement vide. Le noyau est formé de protons, porteurs d'une charge électrique positive, et de neutrons, électriquement neutres ; l'hydrogène fait exception, car le noyau de son isotope H ne contient aucun neutron. Les protons et neutrons, également appelés nucléons, sont maintenus ensemble dans le noyau par la liaison nucléaire, qui est une manifestation de l'interaction forte. Les électrons occupent des orbitales atomiques en interaction avec le noyau via la force électromagnétique. Le nuage électronique est stratifié en niveaux d'énergie quantifiés autour du noyau, niveaux qui définissent des couches et des sous-couches électroniques ; les nucléons se distribuent également selon des couches nucléaires, bien qu'un modèle approché assez commode popularise la structure nucléaire d'après le modèle de la goutte liquide.
Plusieurs atomes peuvent établir des liaisons chimiques entre eux grâce à leurs électrons. D'une manière générale, les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par leur configuration électronique, laquelle découle du nombre de protons de leur noyau. Ce nombre, appelé numéro atomique, définit un élément chimique. chimiques sont reconnus par l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) depuis le . Les atomes d'éléments différents ont des tailles différentes, ainsi généralement que des masses différentes, bien que les atomes d'un élément chimique donné puissent avoir des masses différentes selon les isotopes considérés. Les atomes les plus lourds, ou dont le noyau présente un déséquilibre trop important entre les deux types de nucléons, tendent à devenir plus instables, et sont alors radioactifs ; le est l'isotope stable le plus lourd.
La théorie atomiste, qui soutient l'idée d'une matière composée de « grains » indivisibles (contre l'idée d'une matière indéfiniment sécable), est connue depuis l'Antiquité, et a été notamment défendue par Leucippe et son disciple Démocrite, philosophes de la Grèce antique, ainsi qu'en Inde, plus antérieurement, par l'une des six écoles de philosophie hindoue, le vaisheshika, fondé par Kanada. Elle fut disputée jusqu'à la fin du et n'a plus été remise en cause depuis lors. L'observation directe d'atomes n'est devenue possible qu'au milieu du avec la microscopie électronique en transmission et l'invention du microscope à effet tunnel. C'est ainsi sur les propriétés des atomes que reposent toutes les sciences des matériaux modernes, tandis que l'élucidation de la nature et de la structure des atomes a contribué de manière décisive au développement de la physique moderne, et notamment de la mécanique quantique.
redresse=1.25|vignette|Sections transversales des premières orbitales de l'atome d'hydrogène, le dégradé de couleurs représentant l'amplitude de probabilité de l'électron.
Structure
Ordres de grandeur
Le diamètre estimé d'un atome « libre » (hors liaison covalente ou cristalline) est compris entre () pour l'hélium et () pour le césium, tandis que celui d'un noyau atomique est compris entre () pour l'isotope H et () environ pour le nucléide U. : le noyau d'un atome d'hydrogène est donc environ plus petit que l'atome d'hydrogène lui-même.
Le noyau concentre cependant l'essentiel de la masse de l'atome : le noyau du lithium 7, par exemple, est environ plus massif que les trois électrons qui l'entourent, l'atome de Li ayant une masse de l'ordre de . Pour fixer les idées, la masse des atomes est comprise entre pour le protium et pour , en s'en tenant aux isotopes qui ont une abondance significative dans le milieu naturel — il existe des noyaux plus lourds mais aussi bien plus instables que le nucléide U.
Cette masse est généralement exprimée en unités de masse atomique (« uma », ou « u »), définie comme la douzième partie de la masse d'un atome de C non lié, immobile et à son état fondamental, soit dans cette unité, la masse du nucléide U vaut . Une unité alternative également très employée en physique des particules est l'électron-volt divisé par le carré de la vitesse de la lumière (eV/c), qui est homogène à une masse en vertu de la fameuse équation de la relativité restreinte, et qui vaut ; dans cette unité, la masse du noyau U est égale à /c.
Compte tenu de leur taille et de leur masse singulièrement réduites, les atomes sont toujours en très grand nombre dès qu'on manipule une quantité macroscopique de matière. On définit ainsi la mole comme étant la quantité de matière constituée par autant d'unités élémentaires (atomes, molécules, électrons) qu'il y a d'atomes dans de , soit pas moins de élémentaires, ce qu'on appelle le nombre d'Avogadro.
Particules subatomiques
Bien que son étymologie signifie « indivisible » en grec ancien, un atome est en réalité constitué de particules élémentaires plus petites, et peut donc être divisé ; mais il constitue bien la plus petite unité indivisible d'un élément chimique en tant que tel : en brisant, par exemple, un atome d'hélium, on obtiendra des électrons, des protons et des neutrons, mais on n'aura plus un corps simple ayant les propriétés de l'hélium. L'électron e est une particule très peu massive (, soit /c) et pourvue d'une charge électrique négative de . Le proton p est plus massif que l'électron (, soit /c) et porte une charge électrique positive de même valeur absolue que celle de l'électron, soit . Le neutron n est plus massif que l'électron (, soit /c), et électriquement neutre.
Le modèle standard de la physique des particules décrit les nucléons comme des baryons composés de particules élémentaires appelées quarks : le proton est constitué de deux quarks up et d'un quark down : ; le neutron est constitué d'un quark up et de deux quarks down : .
Les électrons, quant à eux, sont des leptons qui constituent, avec les quarks, le groupe des fermions. La grande différence entre quarks et leptons est que seuls les premiers connaissent toutes les interactions élémentaires, y compris l'interaction nucléaire forte, dont les médiateurs sont des bosons de jauge appelés gluons ; les leptons ne connaissent que l'interaction faible (via les bosons Z et W) et l'interaction électromagnétique (via les photons).
Toutes ces particules connaissent a priori également l'interaction gravitationnelle, mais cette dernière n'a pas pu être intégrée au modèle standard de la physique des particules ; son intensité à l'échelle atomique est, quoi qu'il en soit, insignifiante comparée à l'intensité des trois autres interactions.
Nuage électronique
redresse=1.15|vignette|Représentation schématique d'un puits de potentiel. L'énergie ( ) requise pour occuper chaque abscisse confine à l'intervalle [ , ] toute particule pourvue de l'énergie en ordonnée.
L'essentiel des propriétés physiques et chimiques des atomes est dû à leur nuage électronique. C'est la compréhension de la nature et de la structure de ce nuage électronique qui a ouvert la voie à la compréhension de la structure de l'atome et, in fine, a conduit au développement de la physique des particules.
Le noyau atomique étant chargé positivement, il forme un puits de potentiel pour les électrons, qui sont chargés négativement. Ce puits de potentiel est constitué de niveaux d'énergie définis par des nombres quantiques dont la combinaison détermine des orbitales atomiques conférant aux fonctions d'onde correspondantes des dimensions et des formes caractéristiques.
Introduction au modèle de Schrödinger
L'électron manifeste, comme tout objet quantique, une dualité onde-corpuscule, en vertu de laquelle il se comporte tantôt comme une particule géométriquement délimitée occupant une position déterminée, tantôt comme une onde susceptible de présenter, par exemple, des phénomènes d'interférences. Ces deux aspects de l'électron coexistent dans l'atome, bien que le modèle de Schrödinger soit exclusivement ondulatoire . :
un électron n'est jamais localisé à un endroit précis d'une trajectoire définie autour du noyau, mais distribué au sein d'une orbitale atomique avec une probabilité de présence égale au carré de la norme de sa fonction d'onde, laquelle est corrélée à son état quantique, ainsi qu'avec une phase d'électron : c'est l'aspect ondulatoire ; cette distribution n'est pas statique, mais dynamique, en ce que l'électron est pourvu, au sein de son orbitale atomique stationnaire, d'une quantité de mouvement et d'un moment angulaire orbital : c'est l'aspect corpusculaire.
redresse=1.33|vignette|Illustration d'orbitales atomiques.
Par conséquent, un électron ne peut pas « tomber sur le noyau » comme un objet tombe par terre, car cela signifierait que l'extension spatiale de sa fonction d'onde serait réduite à un point, ce qui n'est le cas d'aucune fonction propre de l'équation de Schrödinger : cette dernière impose, au contraire, qu'un électron, au voisinage du noyau, se « dilue » dans un volume (une orbitale) à la géométrie déterminée par les nombres quantiques qui satisfont cette équation. On peut donc considérer qu'un électron dans un atome est déjà tombé sur le noyau, dans la mesure où il est confiné dans son voisinage par le puits de potentiel électrostatique.
De surcroît, la fonction d'onde d'un électron n'est pas nulle à l'intérieur du noyau, bien que sa probabilité de s'y trouver soit faible, car le noyau est de taille très réduite comparée à celle des orbitales atomiques. Les fonctions d'ondes possibles pour les électrons d'un atome étant centrées sur le noyau, on peut donc dire que l'électron est en fait tombé dans le noyau, bien qu'il ne s'y trouve que très rarement : du point de vue quantique, plusieurs particules peuvent en effet occuper le même espace en vertu de leur nature ondulatoire. Une façon imagée — mais approchée — de voir les choses est d'imaginer, par analogie, que la fonction d'onde de l'électron serait comme « diffractée » par le noyau atomique, ce qui lui donnerait différentes formes, selon son état quantique, par lesquelles la probabilité de présence de l'électron atteindrait son maximum en certaines zones plus ou moins éloignées du noyau — typiquement, plusieurs dizaines de milliers de fois le rayon nucléaire..
Principe d'exclusion de Pauli
Équation de Schrödinger d'une onde stationnaire.
Chaque électron est décrit, dans un atome, par un quadruplet de nombres quantiques (, , , ) satisfaisant l'équation de Schrödinger et appelés respectivement : nombre quantique principal , définissant les couches électroniques ; nombre quantique azimutal , définissant les sous-couches électroniques ; nombre quantique magnétique , définissant l'orientation spatiale de l'orbitale atomique ; nombre quantique magnétique de spin , définissant l'orientation du moment angulaire intrinsèque de l'électron dans son orbitale.