Plan

1. L’hypothèse atomique (ou moléculaire)
2. La particule de base
2.1. L'atome
2.2. Les particules de base

1. L’hypothèse atomique (ou moléculaire)

L’hypothèse est banale (universellement admise). Elle était déjà émise par les philosophes de la Grèce antique. Par contre les premières preuves expérimentales - Dalton, Proust, Lavoisier au 19^ème siècle - sont relativement récentes.

Si, dans un cataclysme, toute notre connaissance scientifique devait être détruite et qu’une seule phrase passe aux générations futures, quelle affirmation contiendrait le maximum d’information dans le minimum de mots ? N’est ce pas l’hypothèse atomique à savoir " toutes les choses sont faites d’atomes (de molécules), petites particules en agitation incessante, s’attirant mutuellement à petite distance les unes des autres et se repoussant si on cherche à trop les rapprocher ". Dans cette seule phrase vous verrez qu’il y a une énorme quantité d’informations sur le monde, si on lui applique un petit peu d’imagination et de réflexion. The Feynman Lectures on Physics par Richard P. Feynman, Robert B. Leighton et Mattews Sands.

Sans doute, cette phrase de Richard P. Feynman, prix Nobel de Physique en 1965, est suffisante pour aborder un premier cours de Thermodynamique à condition de la compléter par :

• un modèle pour l’atome à savoir il est identifiable à une " masse ponctuelle " assimilable à une " sphère rigide,  très petite "
• un modèle pour la molécule qui est constituée d’atomes en très forte interaction entre eux c’est à dire à distances pratiquement constantes les uns des autres, soit encore vibrant avec des amplitudes très faibles autour de leur positions d’équilibre respectives.

Cette phrase est très insuffisante pour comprendre le comportement de la matière soumise à un champ électrique et/ou magnétique, pour aborder l’interaction onde-matière c’est à dire une physique dite " moderne " celle qui ne s’est construite qu’à partir du début du 20^ème siècle.

La compressibilité des gaz, la presque incompressibilité des liquides et des solides permet de dire que les atomes d’un liquide ou d’un solide sont " entassés " les uns sur les autres alors que ceux d’un gaz sont éloignés les uns des autres. Ceci est confirmé par la masse volumique qui est faible (peu d’atomes par unité de volume) pour les gaz et importante pour les liquides et les solides, par le fait que nous nous sentons " léger " (forte poussée d’Archimède) dans l’eau et " lourd " dans l’air, que nous avons du mal à marcher dans l’eau, …

L’état gazeux est un état dilué alors que liquides et solides font partie des états condensés.

Toute matière est constituée d'atomes.
L'atome est constitué d'un noyau comportant Z protons et d'un nombre au moins égal de neutrons (à l'exception de l'atome d'hydrogène qui ne comporte pas de neutron), de Z électrons gravitant autour du noyau.
En Chimie, on apprend qu’il existe une bonne centaine d’atomes " libres ". Le tableau de Mendeleïev les regroupe de manière ordonnée suivant leurs caractéristiques. Les théories quantiques actuellement admises ont considérablement perfectionné ce modèle atomique élémentaire rappelé ici.
La masse du proton est égale à et sa charge .
La masse du neutron est égale à , il est électriquement neutre.
La masse de l'électron est égale à et sa charge est égale et opposée à celle du proton.

Chacun des Z électrons est dans un " état " caractérisé, entre autres, par l'énergie qu'il faut dépenser pour le libérer sans vitesse appréciable de l'atome. Les valeurs de ces énergies permettent de classer les Z électrons en " couches " de même énergie où le nombre possible d'électrons est limité. Les niveaux d’énergie entre couches sont nettement séparées au moins pour les plus fortes valeurs.
On distingue ces couches en introduisant un nombre entier positif n appelé nombre quantique principal. Ainsi, la couche la plus profonde (première à partir du noyau) appelée K correspond à , la seconde L à et ainsi de suite.
Pour l’atome d’hydrogène (et pour les ions hydrogénoïdes qui, comme l’atome d’hydrogène ne possèdent qu’un électron), l’énergie de l’électron suivant la couche où il se trouve est égale à : .
Pour des atomes ou des ions polyélectroniques, les règles de Slater pour calculer l’énergie d’un électron d’une couche constituent une bonne approximation empirique.
Pour , la formule ci-dessus reste valide ; pour l'Uranium (), les mesures donnent 115600 eV.

Les électrons d’une couche " tournent " sur des orbites définies par les nombres quantiques secondaire et magnétique.

• le nombre quantique secondaire quantifie le moment cinétique de l’électron sur son orbite ( où l prend toute valeur entière telle que  ; h : Constante de Planck)
• le nombre quantique magnétique quantifie la projection du moment cinétique suivant la direction d’un champ magnétique extérieur imposé ( où prend toute valeur entière telle que ).

Le nombre d’orbitales atomiques (ou orbites possibles pour l’électron) pour une couche de nombre quantique principal n est égal à nombre de combinaisons différentes entre les valeurs des nombres quantiques secondaire et magnétique.
L’interprétation de l’expérience de Stern et Gerlach montre qu’il convient d’introduire un moment cinétique propre au mouvement de l’électron sur lui-même. A ce moment cinétique, est associé un moment cinétique de spin dont la projection suivant la direction du champ magnétique imposé est égal à où est le nombre quantique magnétique de spin. Ce nombre ne peut prendre que les deux valeurs .
Suivant le principe de Pauli, deux électrons d’un atome ne peuvent avoir leurs quatre nombres quantiques identiques.

Etablir un modèle de structure de la matière consiste à décrire l'arrangement des atomes, en représentant leurs positions respectives et la répartition des différentes espèces. Ce qu'on pourrait imaginer de plus simple serait que les atomes se comportent comme des constituants, doués de propriétés spécifiques, parfaitement définis et immuables. Ce n’est pas aussi simple puisque les atomes apparaissent dans la matière avec des petites différences par rapport au schéma de l'atome libre qui fait l'objet du tableau de Mendeleïev. Ces petites différences sont essentielles pour rendre compte des propriétés de la matière.
En fait, dans une transformation physique ou une réaction chimique, seul l'état des quelques électrons externes peut être modifié. La ménagère sur sa cuisinière, le chimiste dans son laboratoire, le métallurgiste avec son haut-fourneau ou son four à arc ne peut qu'égratigner les atomes. Avec une excellente approximation, le noyau et tous les électrons sauf les quelques uns des couches externes sont immuables.
Toute matière est faite d'un ensemble " d'entités ", comme une construction est faite de briques, différentes suivant la matière. Nous désignons ces entités par le terme " particule " ou mieux " particule de base ". Dans quelques cas rares ce sont des atomes tels qu'ils sont à l'état libre, plus souvent des atomes modifiés par l'altération des couches électroniques externes ou des groupes d'atomes définis appelés " molécules ".
La " particule de base " est représentée par un objet de forme et de dimensions déterminées et le modèle de la matière est l'assemblage de ces objets. Ainsi un atome est représenté par une sphère de diamètre donné et un ensemble d'atomes par de telles sphères pressées les unes contre les autres. A priori cette représentation n'est pas évidente mais elle apporte une image simplificatrice primordiale pour notre compréhension de la structure de la matière.

Les gaz rares sont caractérisés par une couche électronique externe complète (qui ne peut accepter un électron de plus). Cette propriété les fait bénéficier d'une stabilité toute particulière qui les rend pratiquement inerte et la particule de base est faite d'un atome non altéré. On parle de molécules monoatomiques.
Les atomes, autres que les gaz rares, se lient entre eux suivant des schémas bien définis formant un ensemble stable appelé molécule polyatomique. La liaison interatomique provoque l'altération de l'état des électrons des couches externes. Décrire les modes de liaisons et les mécanismes des " réactions " relève du domaine de la Chimie, le minimum à connaître étant les règles de " remplissage ".
Dans la matière à l'état dilué (gaz), la molécule (à l’exception des plasma qui sont constitués d’ions et d’électrons) est la particule de base.

Dans celle à l'état condensé (liquide et solide),

• pour ce qui concerne les liquides (à l’exception des liquides ioniques et des cristaux liquides), la particule de base est la molécule
• pour ce qui concerne les solides (à l’exception des solides amorphes et des solides moléculaires) la particule de base est soit l’atome, soit l’ion.

Ce sont bien des atomes mais ils n'ont pas exactement la même constitution que l'atome de même espèce à l'état isolé. En effet, quand la matière est condensée, cela signifie que chaque atome se trouve au contact d'autres, donc qu'il est soumis à des interactions qui altèrent l'état des électrons de la couche superficielle.
C'est ce qui se passe pour les atomes formant les molécules, la différence essentielle est que, dans la molécule, les atomes constituants forment un système fini, bien défini, auquel on ne peut adjoindre ou retirer un atome sans modifier profondément la molécule. Au contraire, dans un solide dont les éléments constitutifs sont des atomes, ceux-ci forment des chaînes en interaction non finies.
Nous illustrons notre propos avec l'atome de Carbone qui possède 6 électrons, 2 sur sa première couche (K) qui est complète et quatre sur sa deuxième couche (L) externe qui peut être complétée à 8.
Avec 4 atomes d'Hydrogène, le Carbone forme la molécule , ensemble fini, où le Carbone partage les 4 électrons des atomes d'Hydrogène pour compléter sa couche externe, où chaque atome d'Hydrogène partage 1 électron de l'atome de Carbone pour compléter sa seule couche à 2 électrons.
Dans le solide diamant, un atome de Carbone partage 1 électron avec chacun des 4 atomes de Carbone qui l'entourent pour compléter sa couche externe, ces derniers en faisant de même si bien que les atomes du diamant forment des chaînes bien déterminées qui se développent dans toutes les directions. Il n'y a pas de molécule de diamant. En ce qui concerne les atomes de Carbone à la surface du diamant, ils complètent leur couche externe avec des impuretés de l'atmosphère environnante pour assurer la stabilité de l'édifice diamant.

Un atome, dont le nombre atomique est supérieur de quelques unités (1, 2, 3, voire 4) à celui d'un gaz rare, retrouve la configuration électronique de celui-ci s'il perd ses électrons extérieurs.
Cette opération, qui nécessite peu d'énergie, explique l’existence des solides et liquides métalliques . L'atome n'est plus électriquement neutre : il devient un ion chargé positivement -cation- de 1, 2, ... charges élémentaires, environné d’un nombre égal d’électrons " libres ". L’existence de charges positives et négatives, qui s’attirent, donnent une cohésion à l’assemblage.
Inversement, si l'atome à 1, 2, ... électrons de moins qu'un gaz rare, des électrons libres (à énergie nulle) peuvent venir occuper des places vacantes de la couche externe de niveau d'énergie inférieure. L'atome devient un ion chargé négativement -anion-.
La formation d’ions de nature opposée est spontanée si le bilan énergétique est exothermique.

Exemple :

Il convient de bien comprendre.
A l’état gazeux il existe une molécule (dans l’exemple). Pour ce qui est de l’état solide ou liquide, il s’agit d’un ensemble d'ions positifs et négatifs (dans l’exemple ) qui, en s’attirant, assurent la cohésion de l’édifice. Dans cet ensemble, il n'y a pas de couples isolés (), donc pas de molécule : la particule de base du modèle est bien l'ion, c'est à dire un atome modifié dans sa couche extérieure par la perte ou le gain d'un petit nombre d'électrons.
Nos exemples définissent l'ion à partir d'un atome. Il existe des ions plus complexes constitués de plusieurs atomes liés entre eux comme dans une molécule, la charge des électrons et des noyaux ne se compensant pas totalement.

La masse des particules ne pose pas de problème particulier. Dans l'atome, toute la masse est pratiquement concentrée dans le noyau à environ 1/4000 près ou moins. La modification de l'état des électrons, et de légers changements dans leur nombre, ne font pas varier la masse qui est simplement celle du ou des noyaux constituant la particule.
Les dimensions géométriques sont plus délicates à définir. Dans l'image qu'en donne la mécanique quantique, l'atome libre est constitué par un nuage d'électricité négative, de charge totale , autour du noyau ponctuel de charge . La densité locale de charge est calculable par les équations de la mécanique quantique.

La situation est très différente dans les ensembles denses d'atomes qu'on observe dans la matière condensée, solide ou liquide.

• Le cas le plus simple est celui des ions où il est possible, expérimentalement, de mesurer la distance entre deux ions et immédiatement voisins. L'ensemble des mesures sur un grand nombre de cristaux ioniques conduit à la règle fondamentale suivante : chaque espèce d'ions peut, avec une bonne approximation, être assimilé à une " sphère dure ", c'est à dire indéformable, de rayon déterminé; la distance entre les centres de deux ions voisins est égale à la somme des rayons attribués à chacun des ions, tout comme s'il s'agissait de deux sphères indéformables tangentes.

• Le cas des ensembles où la particule de base est la molécule (liquide) ou l'atome (solide cristallin) est beaucoup plus complexe.

Ce que nous venons d'expliquer est très simplifié.
En particulier, rien ne nous permet de comprendre ce qui empêche deux atomes en interaction de se pénétrer jusqu'aux noyaux puisqu'ils sont essentiellement constitués de vide. Il faut, pour cela, abandonner les concepts classiques pour la mécanique quantique et introduire les interactions nucléaires.