Atom - Atom


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atome d'hélium
Helium atome état fondamental.
Une illustration de l' hélium atome, représentant le noyau (rose) et le nuage d'électrons distribution (noir). Le noyau ( en haut à droite) dans de l' hélium-4 est en réalité symétrique et ressemble sphériquement étroitement le nuage d'électrons, bien que pour les noyaux plus complexes ce n'est pas toujours le cas. La barre noire est une angström ( 10 -10  m ou 100  pm ).
Classification
La plus petite division reconnue d'un élément chimique
Propriétés
plage de masse 1,67 × 10 -27 à 4,52 × 10 -25  kg
Charge électrique zéro (neutre) ou ion chargé
diamètre gamme 62 h ( Il ) à 520 h ( Cs ) ( page de données )
Composants Électrons et un compact noyau de protons et neutrons

Un atome est la plus petite unité constitutive d'ordinaire matière qui a les propriétés d'un élément chimique . Chaque solide , liquide , gaz , et le plasma est composé de neutres ou ionisés atomes. Atomes sont extrêmement petites; tailles typiques sont environ 100  picomètres (dix-milliardième de mètre, dans la courte échelle ).

Atomes sont assez petits que tenter de prédire leur comportement en utilisant la physique classique - comme si elles étaient des boules de billard , par exemple - donne des prédictions sensiblement incorrectes en raison d' effets quantiques . Grâce au développement de la physique, les modèles atomiques ont incorporé les principes quantiques pour mieux expliquer et prédire ce comportement.

Chaque atome est composé d'un noyau et un ou plusieurs électrons liés au noyau. Le noyau est composé d'un ou plusieurs protons et généralement un nombre similaire de neutrons . Et les neutrons sont Protons appelés nucléons . Plus de 99,94% de l'atome de la masse est dans le noyau. Les protons ont un effet positif charge électrique , les électrons ont une charge électrique négative, et les neutrons ont aucune charge électrique. Si le nombre de protons et d' électrons sont égaux, cet atome est électriquement neutre. Si un atome a plus ou moins d' électrons que de protons, alors il a une charge négative globale ou positive, respectivement, et il est appelé ion .

Les électrons d'un atome sont attirés par les protons dans un noyau atomique par cette force électromagnétique . Les protons et les neutrons dans le noyau sont attirés les uns aux autres par une force différente, la force nucléaire , qui est généralement plus forte que la force électromagnétique de répulsion des protons chargés positivement les uns des autres. Dans certaines circonstances, la force électromagnétique répulsive devient plus forte que la force nucléaire et nucléons peut être éjectée du noyau, laissant derrière lui un autre élément: la désintégration nucléaire entraînant la transmutation nucléaire .

Le nombre de protons dans le noyau définit ce que l' élément chimique de l'atome appartient: par exemple, tous cuivre atomes contiennent 29 protons. Le nombre de neutrons définit l' isotope de l'élément. Le nombre d'électrons influence les magnétiques propriétés d'un atome. Les atomes peuvent se fixer à un ou plusieurs autres atomes par des liaisons chimiques pour former des composés chimiques tels que molécules . La capacité des atomes d'associer et de dissocier est responsable de la plupart des changements physiques observés dans la nature et fait l'objet de la discipline de la chimie .

Histoire de la théorie atomique

Atomes en philosophie

L'idée que la matière est composée d'unités discrètes est une idée très ancienne, apparaissant dans de nombreuses cultures anciennes comme la Grèce et l' Inde. Le mot « atome » ( grec : ἄτομος , atomos ), ce qui signifie « insécable », a été inventé par les anciens philosophes grecs Leucippe et son élève Démocrite ( c. 460 - c. 370 BC). Démocrite a enseigné que les atomes sont en nombre infini, incréé et éternel, et que les qualités d'un résultat d'objet à partir du type d'atomes qui la composent. Atomisme de Démocrite a été élaboré et raffiné par le philosophe plus tard Epicure (341-270 avant JC). Au cours du Moyen Âge , l' atomisme était surtout oublié en Europe de l' Ouest, mais a survécu parmi certains groupes de philosophes islamiques. Au cours du XIIe siècle, l' atomisme est devenu à nouveau connu en Europe occidentale par des références à dans les écrits récemment redécouvert d' Aristote .

Au XIVe siècle, la redécouverte des grandes œuvres décrivant les enseignements de atomistes, y compris Lucrèce « s De rerum natura et Diogène Laërce l » Vies et opinions des philosophes illustres , a conduit à l' attention des chercheurs a augmenté sur le sujet. Néanmoins, parce que l' atomisme était associée à la philosophie de l' épicurisme , ce qui contredit les enseignements chrétiens orthodoxes, la croyance en atomes n'a pas été considérée comme acceptable. Le prêtre catholique français Pierre Gassendi (1592-1655) ravivé l' atomisme épicurien avec des modifications, en faisant valoir que les atomes ont été créés par Dieu et, bien que très nombreux, ne sont pas infinies. La théorie des atomes modifiés de Gassendi a été popularisé en France par le médecin François Bernier (1620-1688) et en Angleterre par le philosophe naturel Walter Charleton (1619-1707). Le chimiste Robert Boyle (1627-1691) et le physicien Isaac Newton (1642-1727) à la fois défendaient atomisme et, à la fin du XVIIe siècle, il était devenu accepté par les parties de la communauté scientifique.

Première théorie fondée sur des preuves

Divers atomes et des molécules comme représenté sur John Dalton « s un nouveau système de philosophie chimique (1808).

Au début des années 1800, John Dalton a utilisé le concept d'atomes d'expliquer pourquoi les éléments réagissent toujours dans des rapports de petits nombres entiers (la de la loi des proportions multiples ). Par exemple, il existe deux types d' oxyde d'étain : l' une est de 88,1% d' étain et 11,9% d' oxygène et l'autre est de 78,7% d' étain et 21,3% d' oxygène ( l' oxyde d' étain (II) et le dioxyde d' étain , respectivement). Cela signifie que 100 g d'étain se combiner soit avec 13,5 g ou 27 g d'oxygène. 13,5 et 27 forment un rapport de 1: 2, un rapport de nombres entiers petits. Ce motif commun dans la chimie suggéré de Dalton que les éléments réagissent en multiples d'unités discrètes - en d' autres mots, des atomes. Dans le cas des oxydes d'étain, un atome d'étain se combine avec un ou deux atomes d'oxygène.

Dalton croyait aussi la théorie atomique pourrait expliquer pourquoi l' eau absorbe les gaz différents dans des proportions différentes. Par exemple, il a constaté que l' eau absorbe le dioxyde de carbone beaucoup mieux qu'il absorbe l' azote . Dalton a émis l' hypothèse que cela était dû à des différences entre les masses et les configurations des particules respectives des gaz, et des molécules de dioxyde de carbone (CO 2 ) sont plus lourdes et plus grandes que les molécules d'azote (N 2 ).

mouvement brownien

En 1827, le botaniste Robert Brown a utilisé un microscope pour regarder les grains de poussière flottant dans l' eau et a découvert qu'ils se déplaçaient de manière erratique, un phénomène qui est devenu connu sous le nom « mouvement brownien ». Cela a été pensé pour être causé par des molécules d'eau qui frappent les grains sur. En 1905, Albert Einstein a prouvé la réalité de ces molécules et leurs mouvements en produisant la première physique statistique analyse de mouvement brownien . Physicien français Jean Perrin a utilisé le travail d'Einstein pour déterminer expérimentalement la masse et les dimensions des atomes, ainsi vérifier de façon concluante la théorie atomique de Dalton .

Découverte de l'électron

L' Expérience de Rutherford
préféré: Résultats attendus: particules alpha passant à travers le modèle de plum pudding de l'atome de déviation négligeable.
Bottom: résultats observés: une petite partie des particules a été dévié par la charge positive concentrée du noyau.

Le physicien JJ Thomson a mesuré la masse des rayons cathodiques , montrant qu'ils ont été faites de particules, mais était d' environ 1800 fois plus léger que l'atome le plus léger, un atome d' hydrogène . Par conséquent, ils ne sont pas des atomes, mais une nouvelle particule, la première subatomique particule à découvrir, qu'il appelait à l' origine « corpuscule » , mais a ensuite été nommé électronique , après des particules postulées par George Johnstone Stoney en 1874. Il a également montré qu'ils étaient identiques à les particules émises par photoélectriques matériaux et radioactifs. Il a été rapidement reconnu que ce sont les particules qui transportent des courants électriques en fils métalliques, et transporter la charge électrique négative à l' intérieur des atomes. Thomson a reçu le 1906 Prix Nobel de physique pour ce travail. Ainsi , il a renversé la croyance que les atomes sont les indivisibles, les particules ultimes de la matière. Thomson a également tort postulé que la faible masse, les électrons chargés négativement ont été distribués à travers l'atome dans une mer uniforme de charge positive. Cela est devenu connu sous le nom modèle de plum pudding .

Découverte du noyau

En 1909, Hans Geiger et Ernest Marsden , sous la direction d' Ernest Rutherford , bombarde une feuille métallique avec des particules alpha pour observer la façon dont ils dispersés. Ils devraient toutes les particules alpha de passer directement à travers avec peu de déviation, parce que le modèle de Thomson a déclaré que les charges de l'atome sont si diffus que leurs champs électriques ne peuvent pas affecter les particules alpha beaucoup. Cependant, Geiger et Marsden repéré particules alpha étant déviés par des angles supérieurs à 90 °, ce qui était supposé être impossible selon le modèle de Thomson. Pour expliquer cela, Rutherford a proposé que la charge positive de l'atome est concentrée dans un petit noyau au centre de l'atome.

Découverte d'isotopes

En expérimentant avec les produits de désintégration radioactive , en 1913 radiochimiste Frederick Soddy a découvert qu'il semblait y avoir plus d'un type d'atome à chaque position sur le tableau périodique . Le terme isotope a été inventé par Margaret Todd comme un nom approprié pour des atomes différents qui appartiennent au même élément. JJ Thomson a créé une technique de séparation isotopique par ses travaux sur les gaz ionisés , qui a ensuite conduit à la découverte des isotopes stables .

modèle Bohr

Le modèle de Bohr de l'atome, un électron faisant des sauts quantiques « » instantanés d'une orbite à l'autre. Ce modèle est obsolète.

En 1913 , le physicien Niels Bohr a proposé un modèle dans lequel les électrons d'un atome étaient supposés en orbite le noyau mais ne peuvent le faire dans un ensemble fini d'orbites, et pourrait passer entre ces orbites que des changements discrets d'énergie correspondant à l' absorption ou le rayonnement d'un photon. Cette quantification a été utilisé pour expliquer la raison pour laquelle les électrons des orbites sont stables (étant donné que , normalement, les charges d'accélération, y compris le mouvement circulaire, perdent de l' énergie cinétique qui est émise sous forme de rayonnement électromagnétique, voir le rayonnement synchrotron ) et la raison pour laquelle les éléments absorbent et émettent un rayonnement électromagnétique dans le spectre discret .

Plus tard dans la même année , Henry Moseley a fourni des preuves expérimentales supplémentaires en faveur de la théorie de Niels Bohr . Ces résultats affinés Ernest Rutherford « s et Antonius van den Broek » s modèle, qui a proposé que l'atome contient dans son noyau un certain nombre de positifs charges nucléaires qui est égal à son numéro (atomique) dans le tableau périodique. Tant que ces expériences, le numéro atomique n'a pas été connu pour être une grandeur physique et expérimentale. Qu'il est égale à la charge nucléaire atomique reste le modèle atomique accepté aujourd'hui.

La liaison chimique expliqué

Les liaisons chimiques entre les atomes sont maintenant expliqués par Gilbert Newton Lewis en 1916, que les interactions entre les électrons constitutifs. Comme les propriétés chimiques des éléments ont été connus pour répéter en grande partie eux - mêmes selon la loi périodique , en 1919 , le chimiste américain Irving Langmuir a suggéré que cela pourrait s'expliquer si les électrons dans un atome sont connectés ou groupés d' une certaine manière. Des groupes d'électrons ont été pensés pour occuper un ensemble de coquilles d'électrons autour du noyau.

D'autres développements de la physique quantique

L' expérience de Stern-Gerlach de 1922 a fourni une preuve supplémentaire de la nature quantique des propriétés atomiques. Quand un faisceau d'atomes d' argent a été passé à travers un champ magnétique de forme particulière, le faisceau a été divisé de manière corrélée à la direction du moment cinétique, ou d'un atome de spin . Comme ce sens de rotation est d' abord au hasard, le faisceau serait prévu pour dévier dans une direction aléatoire. Au lieu de cela, le faisceau est divisé en deux composantes directionnelles, correspondant à l'atome de spin étant orientée vers le haut ou vers le bas par rapport au champ magnétique.

En 1925 , Werner Heisenberg a publié la première formulation mathématique cohérente de la mécanique quantique ( Mécanique Matrix ). Un an plus tôt, en 1924, Louis de Broglie a proposé que toutes les particules se comportent dans une certaine mesure comme des vagues et, en 1926, Erwin Schrödinger a utilisé cette idée de développer un modèle mathématique de l'atome (Mécanique ondulatoire) qui décrit les électrons comme trois dimensions des formes d' onde plutôt que des particules ponctuelles.

Une conséquence de l' utilisation de formes d' onde pour décrire des particules est qu'il est mathématiquement impossible d'obtenir des valeurs précises à la fois pour la position de et la dynamique d'une particule à un moment donné dans le temps; Cela est devenu connu comme le principe d'incertitude , formulée par Werner Heisenberg en 1927. Dans ce concept, pour une précision donnée dans la mesure d' une position que l' on ne pouvait obtenir une gamme de valeurs probables pour l' élan, et vice versa. Ce modèle a été en mesure d'expliquer les observations du comportement atomique que les modèles antérieurs ne pouvaient pas, comme certains structurelles et spectrales des motifs d'atomes de plus de l' hydrogène. Ainsi, le modèle planétaire de l'atome a été abandonnée au profit de celle qui décrit orbitales atomiques zones autour du noyau où un électron donné est le plus susceptible d'être observée.

Découverte du neutron

Le développement du spectromètre de masse a permis la masse d'atomes à mesurer avec une précision accrue. Le dispositif utilise un aimant pour courber la trajectoire d'un faisceau d'ions, et la quantité de déviation est déterminé par le rapport entre la masse d'un atome à sa charge. Le chimiste Francis William Aston utilisé cet instrument pour montrer que les isotopes ont des masses différentes. La masse atomique de ces isotopes par des quantités entières varie, appelé toute règle de nombre . L'explication de ces différents isotopes attendait la découverte du neutron , une particule non chargée avec une masse semblable au proton , par le physicien James Chadwick en 1932. Les isotopes ont ensuite été expliqué comme éléments ayant le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons dans le noyau.

Fission, la physique de haute énergie et de la matière condensée

En 1938, le chimiste allemand Otto Hahn , un étudiant de Rutherford, neutrons dirigé sur des atomes d'uranium espoir d'obtenir des éléments transuraniens . Au lieu de cela, ses expériences chimiques ont montré le baryum en tant que produit. Un an plus tard, Lise Meitner et son neveu Otto Frisch vérifié que le résultat de Hahn ont été les premiers expérimental fission nucléaire . En 1944, Hahn a reçu le prix Nobel de chimie. Malgré les efforts de Hahn, ne sont pas reconnues les contributions de Meitner et Frisch.

Dans les années 1950, le développement de l' amélioration des accélérateurs de particules et des détecteurs de particules a permis aux scientifiques d'étudier les effets des atomes se déplaçant à des hautes énergies. Neutrons et les protons se sont révélés être hadrons , ou des composites de particules plus petites appelées quarks . Le modèle standard de la physique des particules a été développée qui a jusqu'ici expliqué avec succès les propriétés du noyau en fonction de ces particules sub-atomiques et les forces qui régissent leurs interactions.

Structure

Particules subatomiques

Bien que le mot atome désigné à l' origine une particule qui ne peut pas être coupé en particules plus petites, dans l' usage scientifique moderne de l'atome est composé de diverses particules subatomiques . Les particules constitutives d'un atome sont les électrons , les protons et les neutrons ; tous les trois sont fermions . Cependant, l' hydrogène-1 atome n'a pas neutrons et l' ion Hydron a pas d' électrons.

L'électron est de loin le moins massive de ces particules à 9,11 × 10 -31  kg , avec un négatif de charge électrique et une taille qui est trop faible pour être mesurée en utilisant des techniques disponibles. Il était le plus léger particules avec un reste positif masse mesurée, jusqu'à la découverte de neutrino de masse. Dans des conditions ordinaires, les électrons sont liés au noyau chargé positivement par l'attraction créée à partir des charges électriques opposées. Si un atome a plus ou moins d' électrons que son numéro atomique, il devient alors respectivement chargé négativement ou positivement dans son ensemble; un atome chargé est appelé un ion . Électrons sont connues depuis la fin du 19ème siècle, en grande partie grâce à JJ Thomson ; voir l' histoire de la physique subatomique pour plus de détails.

Les protons ont une charge positive et une masse 1.836 fois supérieure à celle de l'électron, à 1.6726 × 10 -27  kg . Le nombre de protons dans un atome est appelé son numéro atomique . Ernest Rutherford (1919) a observé que l' azote sous un bombardement de particules alpha éjecte ce qui semble être des noyaux d'hydrogène. En 1920 , il était admis que le noyau d'hydrogène est une particule distincte au sein de l'atome et l'a nommé proton .

Les neutrons ont pas de charge électrique et une masse exempte de 1839 fois la masse de l'électron, ou 1.6929 × 10 -27  kg , le plus lourd des trois particules constitutives, mais il peut être réduit par l' énergie de liaison nucléaire . Les neutrons et les protons (collectivement appelés nucléons ) ont des dimensions comparables-sur l'ordre de 2,5 × 10 -15  m -bien la « surface » de ces particules ne sont pas nettement définie. Le neutron a été découvert en 1932 par le physicien anglais James Chadwick .

Dans le modèle standard de la physique, les électrons sont des particules élémentaires vraiment sans structure interne. Cependant, les deux protons et les neutrons sont des particules composites constituées de particules élémentaires appelées quarks . Il existe deux types de quarks dans les atomes, chacun ayant une charge électrique fractionnée. Les protons sont composés de deux quarks up (chacune avec une charge + deux / 3 ) et un quark down (avec une charge de - une / 3 ). Les neutrons sont constitués d'une quark up et deux vers le bas quarks. Cette distinction représente la différence de masse et la charge entre les deux particules.

Les quarks sont maintenus ensemble par l' interaction forte (ou force forte), qui est médiée par gluons . Les protons et les neutrons, à leur tour, ont lieu à l'autre dans le noyau par la force nucléaire , qui est un résidu de la force forte qui a des propriétés de longuer quelque peu différentes (voir l'article sur la force nucléaire plus). Le gluon est un membre de la famille des bosons de jauge , qui sont des particules élémentaires qui assurent la médiation des forces physiques.

Noyau

L' énergie de liaison nécessaire pour un nucléon pour échapper au noyau, pour divers isotopes

Tous les protons et les neutrons liés à un atome forment un petit noyau atomique , et sont collectivement appelés nucléons . Le rayon du noyau est approximativement égale à 1,07  3A  fm , où A est le nombre total de nucléons. Cela est beaucoup plus petit que le rayon de l'atome, qui est de l'ordre de 10 5  fm. Les nucléons sont liés par un potentiel attractif à courte portée appelée la grande force résiduelle . À des distances inférieures à 2,5 fm cette force est beaucoup plus puissante que la force électrostatique qui provoque des protons chargés positivement pour repousser les uns des autres.

Atomes du même élément ont le même nombre de protons, appelé le numéro atomique . Au sein d' un seul élément, le nombre de neutrons peut varier, la détermination de l' isotope de cet élément. Le nombre total de protons et de neutrons déterminent le nucléide . Le nombre de neutrons par rapport aux protons détermine la stabilité du noyau, avec certains isotopes subissant une désintégration radioactive .

Le proton, l'électron, et le neutron sont classés comme fermions . Fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli qui interdit identiques fermions, tels que des protons multiples, d'occuper le même état quantique en même temps. Ainsi, chaque proton dans le noyau doit occuper un état quantique différent de tous les autres protons, et de même pour tous les neutrons du noyau et à tous les électrons du nuage d'électrons.

Un noyau qui a un nombre différent de protons que les neutrons peuvent potentiellement tomber à un état d'énergie plus faible par une désintégration radioactive qui provoque le nombre de protons et de neutrons pour correspondre plus étroitement. Par conséquent, avec les atomes correspondant à un nombre de protons et de neutrons sont plus stables contre la carie. Cependant, avec l'augmentation du nombre atomique, la répulsion mutuelle des protons nécessite une proportion croissante de neutrons pour maintenir la stabilité du noyau, ce qui modifie légèrement cette tendance d'un nombre égal de protons à neutrons.

Illustration d'un processus de fusion nucléaire , qui forme un noyau de deutérium, constitué d'un proton et d' un neutron, à partir de deux protons. A positron (e + ) -un antimatière d' électrons est émis avec un électron neutrino .

Le nombre de protons et de neutrons dans le noyau atomique peut être modifié, même si cela peut nécessiter des énergies très élevées en raison de la force forte. La fusion nucléaire se produit lorsque plusieurs particules atomiques se joignent pour former un noyau plus lourd, tel que par la collision de deux noyaux énergique. Par exemple, au cœur des protons Sun nécessitent des énergies de 3-10 keV pour surmonter leur répulsion mutuelle la barrière Coulomb -et fusible ensemble dans un seul noyau. La fission nucléaire est le processus inverse, ce qui provoque un noyau de se scinder en deux petits noyaux généralement par la désintégration radioactive. Le noyau peut également être modifiée par bombardement par des particules subatomiques à haute énergie ou des photons. Si cela modifie le nombre de protons dans un noyau, l'atome se transforme en un élément chimique différent.

Si la masse du noyau suivant une réaction de fusion est inférieure à la somme des masses des particules séparées, la différence entre ces deux valeurs peut être émis en tant que type d'énergie utilisable ( par exemple un rayonnement gamma , ou l'énergie cinétique d'une particule bêta ), tel que décrit par Albert Einstein de l' équivalence masse-énergie formule, E  =  mc 2 , où m est la perte de masse et c est la vitesse de la lumière . Ce déficit fait partie de l' énergie de liaison du nouveau noyau, et il est la perte non récupérable de l'énergie qui provoque les particules Fondus de rester ensemble dans un état qui a besoin de cette énergie pour séparer.

La fusion de deux noyaux qui créent de plus grands noyaux ayant un numéro atomique inférieur à celui du fer et de nickel nombre de nucléons total d'environ 60 est habituellement un processus exothermique qui libère plus d' énergie que nécessaire pour les rapprocher. Il est ce processus de libération de l' énergie qui fait la fusion nucléaire en étoiles une réaction auto-entretenue. Pour les noyaux plus lourds, l'énergie de liaison par nucléon dans le noyau commence à diminuer. Cela signifie que les processus de fusion produisant des noyaux qui ont un numéro atomique supérieur à environ 26, et les masses atomiques supérieurs à environ 60, est un processus endothermique . Ces noyaux plus massifs ne peuvent pas subir une réaction de fusion produisant de l' énergie qui peut maintenir l' équilibre hydrostatique d'une étoile.

Nuage d'électrons

Un puits de potentiel, montrant, selon la mécanique classique , l'énergie minimale V ( x ) nécessaire pour atteindre chaque position x . Classiquement, une particule d'énergie E est limitée à une plage de positions entre x 1 et x 2 .

Les électrons dans un atome sont attirés par les protons dans le noyau par la force électromagnétique . Cette force lie les électrons à l' intérieur d' une électrostatique puits de potentiel entourant le noyau plus petit, ce qui signifie que d' une source externe d'énergie est nécessaire pour l'électron à échapper. Plus un électron est le noyau, plus la force d' attraction. D' où les électrons liés à proximité du centre du puits de potentiel nécessitent plus d' énergie pour échapper à ceux de plus grandes séparations.

Les électrons, comme les autres particules, ont des propriétés à la fois une particule et une onde . Le nuage d'électrons est une région à l' intérieur du puits de potentiel où chaque électron forme un type de trois dimensions ondes stationnaires forme d'onde -a qui ne se déplace pas par rapport au noyau. Ce comportement est défini par une orbitale atomique fonction, un mathématique qui caractérise la probabilité qu'un électron semble être à un emplacement particulier lorsque sa position est mesurée. Seul un discret (ou quantifiée ensemble) de ces orbitales existent autour du noyau, comme les autres modèles de vagues possible désintègrent rapidement en une forme plus stable. Orbitals peuvent avoir une ou plusieurs structures cycliques ou noeuds, et diffèrent l'une de l'autre en taille, forme et orientation.

Les fonctions d' onde des cinq premières orbitales atomiques. Les trois orbitales 2p présentent chacun un seul angulaire noeud qui a une orientation et un minimum au centre.
Comment les atomes sont construits à partir d'orbitales électroniques et un lien vers la table périodique.

Chacun d' eux correspond à une orbitale atomique particulier le niveau d'énergie de l'électron. L'électron peut changer son état à un niveau d'énergie plus élevé en absorbant un photon avec une énergie suffisante pour stimuler dans le nouvel état quantique. De même, par émission spontanée , un électron dans un état d'énergie plus élevé peut tomber à un état d'énergie plus faible tout en rayonnant l'énergie en excès comme un photon. Ces valeurs d'énergie caractéristiques, définies par les différences entre les énergies des états quantiques, sont responsables de lignes spectrales atomiques .

La quantité d'énergie nécessaire pour supprimer ou ajouter un électron l' énergie de liaison électronique -est beaucoup moins que l' énergie de liaison des nucléons . Par exemple, il ne nécessite que de 13,6 eV pour dépouiller un état fondamental électronique à partir d' un atome d'hydrogène, par rapport à 2,23  millions de eV pour diviser un deuterium noyau. Les atomes sont électriquement neutres si elles ont un nombre égal de protons et d' électrons. Atomes qui ont soit un déficit ou un excédent d'électrons sont appelés ions . Les électrons qui sont les plus éloignés du noyau peuvent être transférés à d' autres atomes voisins ou partagés entre les atomes. Par ce mécanisme, les atomes sont capables de se lier à des molécules et d' autres types de composés chimiques tels que ioniques et covalentes réseau des cristaux .

Propriétés

propriétés nucléaires

Par définition, les deux atomes avec un nombre identique de protons dans leurs noyaux appartiennent au même élément chimique . Atomes avec un nombre égal de protons mais un nombre différent de neutrons sont différents isotopes du même élément. Par exemple, tous les atomes d'hydrogène admettent exactement un proton, mais isotopes existent sans neutrons ( hydrogène-1 , de loin la forme la plus courante, appelée aussi protium), un neutron ( deuterium ), deux neutrons ( tritium ) et plus de deux neutrons . Les éléments connus forment un ensemble de nombres atomiques de l'élément de proton unique hydrogène jusqu'à l'élément 118-proton oganesson . Tous les isotopes connus des éléments avec des numéros atomiques supérieurs à 82 sont radioactifs, bien que la radioactivité de l' élément 83 ( bismuth ) est si faible qu'il est pratiquement négligeable.

À propos de 339 nucléides se produisent naturellement sur Terre , dont 254 (environ 75%) ne sont pas respectées à la pourriture, et sont appelés « isotopes stables ». Cependant, seulement 90 de ces nucléides sont stables à tous décomposition, même en théorie . Un autre 164 ( ce qui porte le total à 254) ne sont pas observées à la pourriture, même si , en théorie , il est énergétiquement possible. Ceux - ci sont également officiellement classés comme « stable ». Un 34 nucléides radioactifs supplémentaires ont des demi-vies plus de 80 millions d' années, et sont assez long terme pour être présent dès la naissance du système solaire . Cette collection de 288 nucléides sont connus comme nucléides primordiaux . Enfin, un 51 nucléides de courte durée supplémentaires sont connus pour se produire naturellement, comme les produits de fille de la carie nucléide primordial (comme le radium de l' uranium ), ou bien en tant que produits de processus énergétiques naturels sur la Terre, telles que le bombardement de rayons cosmiques (par exemple, le carbone 14).

Pour 80 des éléments chimiques, au moins un isotope stable existe. En règle générale, il n'y a qu'un petit nombre d'isotopes stables pour chacun de ces éléments, la moyenne étant de 3,2 isotopes stables par élément. Vingt-six éléments ont seulement un seul isotope stable, tandis que le plus grand nombre d'isotopes stables observés pour un élément quelconque est dix, pour l'élément étain . Les éléments 43 , 61 , et tous les éléments numérotés de 83 ou supérieur ont pas d' isotopes stables.

Stabilité des isotopes est affectée par le rapport des protons aux neutrons, et aussi par la présence de certains « nombres magiques » des neutrons ou des protons qui représentent fermés et des coquilles quantiques remplies. Ces coquilles quantiques correspondent à un ensemble de niveaux d'énergie dans le modèle de la coquille du noyau; coques remplies, telles que la coque remplie de 50 protons de l' étain, confère une stabilité inhabituelle sur le nucléide. Sur les 254 nucléides stables connues, seulement quatre ont à la fois un nombre impair de protons et un nombre impair de neutrons: un atome d' hydrogène-2 ( deuterium ), lithium-6 , du bore-10 et de l' azote-14 . En outre, seulement quatre d' origine naturelle, radioactifs nucléides étrange impairs ont une demi-vie plus d' un milliard d' années: potassium-40 , le vanadium-50 , lanthane-138 et le tantale-180m . La plupart des noyaux impairs-impairs sont très instables par rapport à la désintégration bêta , parce que les produits de désintégration sont encore-même, et sont donc plus fortement liés, en raison des effets d'appariement nucléaire .

Masse

La grande majorité d'une masse d' un atome provient des protons et des neutrons qui le composent. Le nombre total de ces particules (appelées « nucléons ») à un atome donné est appelé le numéro de masse . Il est un entier positif et adimensionnel ( au lieu d'avoir la dimension de la masse), parce qu'il exprime un compte. Un exemple d'utilisation d'un nombre de masse est « carbone-12 » , qui a 12 nucléons (six protons et six neutrons).

La réelle masse d'un atome de repos est souvent exprimée en utilisant l' unité de masse atomique unifiée (u), également appelé dalton (Da). Cette unité est définie comme un douzième de la masse d'un atome neutre exempt de carbone-12 , qui est d' environ 1,66 × 10 -27  kg . Hydrogène-1 (le plus léger isotope de l' hydrogène qui est aussi le nucléide avec la masse la plus faible) a un poids atomique de 1,007825 u. La valeur de ce nombre est appelé la masse atomique . Un atome donné a une masse atomique approximativement égal ( à moins de 1%) à son temps de nombre de masse de l'unité de masse atomique (par exemple la masse d'un atome d' azote-14 est approximativement 14 u). Toutefois, ce nombre ne sera pas exactement un entier , sauf dans le cas du carbone-12 (voir ci - dessous). Le plus lourd atome stable est le plomb-208, avec une masse de 207,976 6521  u .

Comme même les plus atomes massives sont beaucoup trop légers pour travailler directement avec eux , les chimistes utilisent plutôt l'unité de taupes . Une mole d'atomes de tout élément a toujours le même nombre d'atomes (environ 6,022 x 10 23 ). Ce nombre a été choisi de sorte que si un élément a une masse atomique de 1 u, une mole d'atomes de cet élément a une masse proche de un gramme. En raison de la définition de l' unité de masse atomique unifiée , chaque atome de carbone-12 a une masse atomique de 12 u exactement, et donc une mole d'atomes de carbone 12 pèse exactement 0,012 kg.

Forme et taille

Atomes manquent d' une limite extérieure bien définie, de sorte que leurs dimensions sont généralement décrits en termes d'un rayon atomique . Ceci est une mesure de la distance sur laquelle le nuage d'électrons s'étend du noyau. Toutefois, cela suppose que l'atome de présenter une forme sphérique, qui n'obéit à des atomes dans le vide ou l' espace libre. Rayons atomiques peuvent être obtenus à partir des distances entre les deux noyaux lorsque les deux atomes sont reliés dans une liaison chimique . Le rayon varie en fonction de l'emplacement d'un atome sur le graphique atomique, le type de liaison chimique, le nombre d'atomes voisins ( numéro de coordination ) et une mécanique quantique bien connu sous le nom de spin . Sur le tableau périodique des éléments, la taille des atomes tend à augmenter lors du déplacement vers le bas des colonnes, mais diminuent lors du déplacement à travers les lignes ( de gauche à droite). Par conséquent, l'atome le plus petit est de l' hélium avec un rayon de 32  pm , tandis que l' un des plus importants est le césium à 225 pm.

Lorsqu'il est soumis à des forces externes, comme des champs électriques , la forme d'un atome peut dévier de symétrie sphérique . La déformation dépend de la grandeur du champ et du type orbital des électrons de la couche externe, comme représenté par un groupe théorique considérations. Les déviations asphériques peuvent être provoquées , par exemple , dans les cristaux , où de grands champs de cristal-électrique peut se produire à basse symétrie sites du réseau. D' importantes ellipsoïdales déformations se sont avérés produire des ions de soufre et de chalcogène ions en pyrite composés -type.

Dimensions atomiques sont des milliers de fois plus petites que les longueurs d' onde de la lumière (400-700  nm ) de sorte qu'ils ne peuvent pas être visualisées à l' aide d' un microscope optique . Cependant, des atomes individuels peuvent être observées en utilisant un microscope à effet tunnel . Pour visualiser la petitesse de l'atome, considérer qu'un cheveu humain typique est d' environ 1 million d' atomes de carbone dans la largeur. Une seule goutte d'eau contient environ 2  sextillion ( 2 × 10 21 ) atomes d'oxygène, et deux fois le nombre d'atomes d'hydrogène. Un seul carat diamant avec une masse de 2 × 10 -4  kg contient environ 10 sextillion (10 22 ) atomes de carbone . Si une pomme était magnifié à la taille de la Terre, puis les atomes dans la pomme serait à peu près la taille de la pomme d' origine.

Désintégration radioactive

Ce diagramme montre la demi-vie (T ½ ) de divers isotopes avec des protons Z et N neutrons.

Chaque élément comporte une ou plusieurs isotopes qui ont des noyaux instables qui sont soumis à la désintégration radioactive, ce qui provoque le noyau pour émettre des particules ou un rayonnement électromagnétique. La radioactivité peut se produire lorsque le rayon d'un noyau est grand par rapport au rayon de la grande force, qui agit seulement sur des distances de l'ordre de 1 fm.

Les formes les plus courantes de désintégration radioactive sont les suivants:

  • Désintégration alpha : ce processus se produit lorsque le noyau émet une particule alpha, qui est un noyau d'hélium constitué de deux protons et deux neutrons. Le résultat de l'émission est un nouvel élément ayant un faible numéro atomique .
  • Désintégration bêta (et capture d'électrons ): ces processus sont régulés par la force faible , et le résultat d'une transformation d'un neutron en un proton, ou un proton en neutron. Le neutron de transition de protons est accompagnée de l'émission d'un électron et un antineutrino , tandis que proton à transition de neutrons (sauf dans la capture d'électrons) provoque l'émission d'un positron et un neutrino . Les émissions d'électrons ou positrons sont appelées particules bêta. Désintégration bêta augmente ou diminue le nombre atomique du noyau par une. Capture d'électrons est plus fréquent que l' émission de positons, car il nécessite moins d' énergie. Dans ce type de désintégration, un électron est absorbé par le noyau, plutôt que d' un positron émis par le noyau. Un neutrino est toujours émis dans ce processus, et un proton se transforme en un neutron.
  • Désintégration gamma : ce procédé résulte d'un changement dans le niveau d'énergie du noyau à un état bas, ce qui entraîne l'émission d' un rayonnement électromagnétique. L'état excité d'un noyau qui se traduit par l' émission de rayons gamma se produit habituellement après l'émission d'un alpha ou une particule bêta. Ainsi, la désintégration gamma suit habituellement la désintégration alpha ou bêta.

D' autres types plus rares de désintégration radioactive comprennent l' éjection de neutrons ou de protons ou des groupes de nucléons d'un noyau, ou plus d'une particule bêta . Analogue d'émission gamma qui permet aux noyaux excités de perdre l' énergie d'une manière différente, est la conversion interne processus -a qui produit des électrons à grande vitesse qui ne sont pas des rayons bêta, suivie par la production de photons de haute énergie qui ne sont pas des rayons gamma. Quelques grands noyaux explosent en deux ou plusieurs fragments de masses chargées variables ainsi que plusieurs neutrons, dans une désintégration spontanée appelée fission nucléaire .

Chaque isotope radioactif a une période le temps de décroissance caractéristique demi-vie -Que est déterminée par la quantité de temps nécessaire pour la moitié d'un échantillon à la pourriture. Ceci est une décroissance exponentielle processus qui diminue de façon constante la proportion de l'isotope restant de 50% toutes les demi-vie. Par conséquent , après deux demi-vies ont passé seulement 25% de l'isotope est présent, et ainsi de suite.

Moment magnétique

Les particules élémentaires possèdent une propriété quantique intrinsèque connue sous le nom de spin . Ceci est analogue à la vitesse angulaire d'un objet qui tourne autour de son centre de masse , bien que strictement parlant , ces particules sont considérées comme ponctuelle et ne peut être dit être en rotation. Spin est mesurée en unités de la diminution constante de Planck (h), avec des électrons, des protons et des neutrons tout essorage comportant ½ H, ou « spin-½ ». Dans un atome, les électrons en mouvement autour du noyau possèdent orbital moment angulaire en plus de leur rotation, tandis que le noyau lui - même possède un moment angulaire en raison de son spin nucléaire.

Le champ magnétique produit par un atome son moment magnétique -is déterminée par ces diverses formes de moment angulaire, tout comme un objet chargé de rotation produit classiquement un champ magnétique. Cependant, la contribution la plus dominante provient de spin électronique. En raison de la nature des électrons à obéir au principe d'exclusion de Pauli , dans lequel aucun deux électrons se trouvent dans le même état quantique , les électrons liés paire avec l'autre, avec un membre de chaque paire dans un état de spin et l'autre à l'opposé, vers le bas état de spin. Ainsi , ces tours s'annulent, ce qui réduit le moment dipolaire magnétique total à zéro dans certains atomes avec même nombre d'électrons.

En ferromagnétiques des éléments tels que le fer, le cobalt et le nickel, un nombre impair d'électrons conduit à un électron non apparié et un moment magnétique net global. Les orbitales d'atomes voisins se chevauchent et un état d'énergie plus faible est obtenue lorsque les spins des électrons non appariés sont alignés les uns avec les autres, un processus spontané connu comme une interaction d'échange . Lorsque les moments magnétiques des atomes ferromagnétiques sont alignés, le matériau peut produire un champ macroscopique mesurable. Les matériaux paramagnétiques ont des atomes avec des moments magnétiques qui alignent dans des directions aléatoires lorsque aucun champ magnétique est présent, mais les moments magnétiques des atomes individuels alignés en présence d'un champ.

Le noyau d'un atome aura pas de spin quand il a même nombre de neutrons et de protons, mais pour d' autres cas de nombre impair, le noyau peut avoir un spin. Normalement , les noyaux de spin sont alignés dans des directions aléatoires en raison de l' équilibre thermique . Toutefois, pour certains éléments (tels que le xénon-129 ) il est possible de polariser une proportion importante des états de spin nucléaire de sorte qu'ils sont alignés dans la même direction, une condition appelée hyperpolarisation . Cela a d'importantes applications dans l' imagerie par résonance magnétique .

Niveaux d'énergie

Ces niveaux d'énergie des électrons (non à l' échelle) sont suffisantes pour les états fondamentaux d'atomes jusqu'à cadmium (5s 2 4d 10 ) inclusivement. Ne pas oublier que même le haut du diagramme est inférieur à un état électronique non lié.

L' énergie potentielle d'un électron dans un atome est négatif , sa dépendance de sa position de atteigne le minimum (le plus de valeur absolue ) à l' intérieur du noyau, et disparaît lorsque l' éloignement du noyau tend vers l' infini , à peu près dans une proportion inverse à la distance . Dans le modèle de la mécanique quantique, un électron lié ne peut occuper une série d' états centrés sur le noyau, et chaque état correspond à un spécifique niveau d'énergie ; voir l' équation de Schrödinger indépendante du temps pour l' explication théorique. Un niveau d'énergie peut être mesurée par la quantité d'énergie nécessaire pour dissocier l'électron de l'atome, et est habituellement exprimée en unités de électronvolts (eV). Le plus bas est appelé état d'énergie d'un électron lié l'état fondamental, à savoir l' état stationnaire , tandis qu'une transition d'électrons pour un résultat de niveau supérieur dans un état excité. L'énergie de l'électron augmente lorsque n augmente parce que la distance (moyenne) à l'augmentation du noyau. Dépendance à l' égard de l'énergie sur est causée non par un potentiel électrostatique du noyau, mais par une interaction entre les électrons.

Pour un électron à la transition entre deux états différents état, par exemple la terre de premier niveau excité ( ionisation ), il doit absorber ou émettre un photon avec une énergie correspondant à la différence de l'énergie potentielle de ces niveaux, selon Niels Bohr modèle, ce qui peut calculer précisément par l' équation de Schrödinger . Les électrons sautent entre les orbitales d'une manière analogue à particules. Par exemple, si un seul photon frappe les électrons, seulement un seul électron change d' état en réponse au photon; voir propriétés Electron .

L'énergie d'un photon émis est proportionnelle à sa fréquence , de sorte que ces niveaux d'énergie spécifiques apparaissent sous forme de bandes distinctes dans le spectre électromagnétique . Chaque élément a un spectre caractéristique qui peut dépendre de la charge nucléaire, sous - couches remplies par des électrons, les interactions électromagnétiques entre les électrons et d' autres facteurs.

Un exemple de raies d'absorption dans un spectre

Lorsqu'un continu spectre d'énergie passe à travers un gaz ou un plasma, une partie des photons sont absorbés par des atomes, ce qui provoque des électrons pour changer leur niveau d'énergie. Ces électrons excités qui restent liés à leur atome émettent spontanément cette énergie comme un photon, se déplaçant dans une direction aléatoire, et ainsi de retomber à des niveaux d'énergie plus faible. Ainsi , les atomes se comportent comme un filtre qui forme une série de sombres bandes d'absorption dans la production d'énergie. (Un observateur de visualiser les atomes à partir d' une vue qui ne comprend pas le spectre continu dans le fond, voit à la place d' une série de lignes d'émission des photons émis par les atomes.) Spectroscopiques mesures de la force et de la largeur des raies spectrales atomiques permettent à la composition et les propriétés physiques d'une substance à déterminer.

Un examen des raies spectrales révèle que certains affichent une structure fine division. Ceci se produit à cause de couplage spin-orbite , qui est une interaction entre le spin et le mouvement de l'électron le plus extérieur. Lorsqu'un atome est dans un champ magnétique extérieur, les lignes spectrales deviennent divisé en trois composants ou plus; un phénomène appelé l' effet Zeeman . Ceci est dû à l'interaction du champ magnétique avec le moment magnétique de l'atome et ses électrons. Certains atomes peuvent avoir plusieurs configurations d'électrons avec le même niveau d'énergie, qui apparaissent ainsi comme une seule raie spectrale. L'interaction du champ magnétique avec l'atome décale ces configurations d'électrons à légèrement différents niveaux d'énergie, ce qui entraîne de multiples raies spectrales. La présence d'un externe champ électrique peut provoquer un fractionnement comparable et le déplacement des raies spectrales en modifiant les niveaux d'énergie d'électrons, un phénomène appelé effet Stark .

Si un électron lié est dans un état excité, un photon interagissant avec l'énergie appropriée peut provoquer une émission stimulée d'un photon avec un niveau d'énergie correspondant. Pour ce faire, l'électron doit tomber à un état d'énergie plus faible qui a une différence d'énergie correspondant à l'énergie du photon interaction. Le photon émis et le photon interagissant se déplacent alors fermé en parallèle et avec des phases correspondantes. Autrement dit, les modèles d'ondes des deux photons sont synchronisés. Cette propriété physique est utilisé pour fabriquer des lasers , qui peuvent émettre un faisceau cohérent d'énergie lumineuse dans une bande de fréquence étroite.

Valence et de comportement de liaison

Valence est la puissance de combinaison d'un élément. Il est égal au nombre d'atomes d'hydrogène que l' atome peut combiner ou de déplacer dans la formation de composés. La coque la plus externe d'électrons d'un atome dans son état non combiné est connue comme la couche de valence , et les électrons dans cette coquille sont appelés électrons de valence . Le nombre d'électrons de valence détermine la liaison comportement avec d' autres atomes. Les atomes ont tendance à réagir chimiquement les uns avec les autres d'une manière qui remplit (ou vide) leurs couches de valence externe. Par exemple, un transfert d'un électron unique entre des atomes est une approximation utile pour des liaisons qui se forment entre les atomes avec un électron plus d'une enveloppe remplie, et d' autres qui sont un électron court d'une coquille complète, comme cela se produit dans le composé du chlorure de sodium et d' autres sels ioniques chimiques. Cependant, de nombreux éléments montrent plusieurs valences, ou tendance à partager un nombre différent d'électrons dans différents composés. Ainsi, la liaison chimique entre ces éléments prend de nombreuses formes d'électron-partage qui sont plus que de simples transferts d'électrons. Des exemples comprennent l'élément carbone et les composés organiques .

Les éléments chimiques sont souvent affichées dans un tableau périodique qui est agencé pour afficher les propriétés chimiques récurrentes, et des éléments ayant le même nombre d'électrons de valence forment un groupe qui est alignée dans la même colonne de la table. (Les lignes horizontales correspondent au remplissage d'une enveloppe quantique des électrons). Les éléments à l'extrémité droite de la table ont leur enveloppe extérieure complètement remplie avec des électrons, ce qui se traduit par des éléments chimiquement inertes connus comme les gaz rares .

États

Graphique illustrant la formation d'un condensat de Bose-Einstein

Les quantités d'atomes se trouvent dans différents états de la matière qui dépendent des conditions physiques telles que la température et la pression . En faisant varier les conditions, les matériaux peuvent passer entre des solides , des liquides , des gaz et des plasmas . Au sein d' un état, un matériau peut également exister dans différents allotropes . Un exemple de ce carbone solide est, ce qui peut exister en tant que graphite ou diamant . Allotropes existent aussi bien gazeux, tels que le dioxygène et l' ozone .

À des températures proches du zéro absolu , les atomes peuvent former un condensat de Bose-Einstein , à quel point quantique effets mécaniques, qui sont normalement observées à l'échelle atomique, apparaîtront à l'échelle macroscopique. Cette collection super-refroidie d'atomes se comporte alors comme un seul super - atome , ce qui peut permettre le contrôle fondamentaux de comportement mécanique quantique.

Identification

Microscope à effet tunnel à balayage image montrant les atomes qui composent cet or ( 100 surface). Les atomes de la surface de la masse dévient structure cristalline et les disposer dans les colonnes plusieurs atomes large avec des puits entre eux (voir la reconstruction de surface ).

Le microscope à effet tunnel à balayage est un dispositif pour la visualisation de surfaces à l'échelle atomique. Il utilise le tunnel quantique phénomène, ce qui permet aux particules de passer à travers une barrière qui serait normalement insurmontable. Tunnel d'électrons dans le vide entre deux électrodes métalliques planes, sur chacune desquelles est adsorbée atome, fournissant une densité de courant à effet tunnel qui peut être mesurée. Un atome balayage (prise comme la pointe) , car il se déplace devant l'autre (l'échantillon) permet le traçage des déplacements de la pointe par rapport à la séparation latérale pour un courant constant. Le calcul montre dans quelle mesure les images à balayage à effet tunnel microscope d'un atome individuel sont visibles. Il confirme que pour une faible biais, les images de microscope dimensions moyenne spatiale des orbitales électroniques à travers les niveaux-la d'énergie très serrés niveau de Fermi densité locale d'états .

Un atome peut être ionisé en supprimant une de ses électrons. La charge électrique provoque la trajectoire d'un atome de plier lors de son passage à travers un champ magnétique . Le rayon par lequel la trajectoire d'un ion mobile est tourné par le champ magnétique est déterminée par la masse de l'atome. Le spectromètre de masse utilise ce principe pour mesurer le rapport de masse à la charge des ions. Si un échantillon contient des isotopes multiples, le spectromètre de masse permet de déterminer la proportion de chaque isotope dans l'échantillon en mesurant l'intensité des différents faisceaux d'ions. Des techniques pour vaporiser comprennent des atomes plasma à couplage inductif spectroscopie d'émission atomique et spectrométrie de masse par plasma à couplage inductif , qui tous deux utilisent un plasma pour vaporiser des échantillons pour analyse.

Un procédé plus sélectif domaine est la spectroscopie de perte d'énergie électronique , qui mesure la perte d'énergie d'un faisceau d'électrons dans un microscope électronique à transmission quand il interagit avec une portion d'un échantillon. Le tomographe atome-sonde a une résolution inférieure au nanomètre en 3-D et peut identifier chimiquement des atomes individuels en utilisant la spectrométrie de masse à temps de vol.

Les spectres des états excités peut être utilisé pour analyser la composition atomique des lointaines étoiles . Éclairage spécifiques des longueurs d' onde contenues dans la lumière observée des étoiles peuvent être séparées et associées aux transitions quantifiées dans les atomes de gaz libre. Ces couleurs peuvent être reproduites à l' aide d' une lampe à décharge de gaz contenant le même élément. L' hélium a été découvert de cette manière dans le spectre du Soleil 23 ans avant qu'il ne soit trouvé sur Terre.

Origine et état actuel

Atomes forment environ 4% de la densité d'énergie totale de l' univers observable , avec une densité moyenne d'environ 0,25 atomes / m 3 . Au sein d' une galaxie comme la voie lactée , les atomes ont une concentration beaucoup plus élevée, avec la densité de matière dans le milieu interstellaire (ISM) , allant de 10 5 à 10 9 atomes / m 3 . Le soleil est considéré comme l' intérieur de la bulle locale , une zone de gaz fortement ionisé, de sorte que la densité dans le voisinage solaire est seulement d' environ 10 3 atomes / m 3 . Les étoiles se forment des nuages denses dans l'ISM, et les processus d' évolution des étoiles donnent lieu à l'enrichissement constant de l'ISM avec des éléments plus massifs que l' hydrogène et l' hélium. Jusqu'à 95% des atomes de la Voie Lactée sont concentrés dans les étoiles et la masse totale des atomes forme environ 10% de la masse de la galaxie. (Le reste de la masse est une inconnue matière noire .)

Formation

Électrons On pense exister dans l'Univers depuis début du Big Bang . Formes de noyaux atomiques dans nucléosynthèse réactions. En trois minutes Big Bang nucléosynthèse produit la majeure partie de l' hélium , lithium et deuterium dans l'Univers, et peut - être une partie du béryllium et du bore .

Ubiquité et la stabilité des atomes repose sur leur énergie de liaison , ce qui signifie qu'un atome a une énergie inférieure à celle d' un système non lié du noyau et des électrons. Lorsque la température est beaucoup plus élevé que le potentiel d'ionisation , la matière se présente sous forme de plasma gazeux -a des ions chargés positivement (éventuellement, noyaux nus) et des électrons. Lorsque la température descend en dessous du potentiel d'ionisation, les atomes deviennent statistiquement favorables. Atomes (complet avec des électrons liés) sont devenus à dominer sur charge des particules 380.000 ans après le Big Bang-une époque appelée recombinaison , lorsque suffisamment refroidi pour permettre Univers en expansion des électrons de se fixer aux noyaux.

Depuis le Big Bang, qui n'a produit aucun carbone ou des éléments plus lourds , les noyaux atomiques ont été combinées en étoiles à travers le processus de fusion nucléaire pour produire plus de l'élément de l' hélium , et (par l'intermédiaire du triple processus d'alpha ) la séquence d'éléments de mise en carbone fer ; voir nucléosynthèse stellaire pour plus de détails.

Les isotopes tels que le lithium-6, ainsi que certains béryllium et le bore sont générés dans l' espace par spallation de rayons cosmiques . Cela se produit quand un proton de haute énergie frappe un noyau atomique, ce qui provoque un grand nombre de nucléons à éjecter.

Les éléments plus lourds que le fer ont été produites en supernovae à travers le processus de r et en étoiles AGB à travers le processus s , les deux qui impliquent la capture de neutrons par les noyaux atomiques. Des éléments tels que le plomb formées en grande partie par la décroissance radioactive des éléments plus lourds.

Terre

La plupart des atomes qui composent la Terre et ses habitants étaient présents dans leur forme actuelle dans la nébuleuse qui se sont effondrés d'un nuage moléculaire pour former le système solaire . Les autres sont le résultat de la désintégration radioactive, et leur proportion relative peut être utilisée pour déterminer l' âge de la Terre par la datation radiométrique . La plupart de l' hélium dans la croûte de la terre (environ 99% de l'hélium à partir de puits de gaz, comme indiqué par sa faible abondance de l' hélium-3 ) est un produit de désintégration alpha .

Il y a quelques atomes de traces sur la Terre qui ne sont pas présents au début (et non « primordiale »), ni les résultats de la désintégration radioactive. Carbon-14 est produite de façon continue par les rayons cosmiques dans l'atmosphère. Certains atomes sur la Terre ont été générés artificiellement , délibérément ou sous-produits des réacteurs nucléaires ou des explosions. Parmi les éléments transuraniens -Ceux avec des numéros atomiques supérieurs à 92 que le plutonium et le neptunium se produisent naturellement sur Terre. Transuraniens ont des durées de vie plus courte que radioactifs l'âge actuel de la Terre et les quantités ainsi identifiables de ces éléments ont depuis longtemps pourris, à l'exception des traces de plutonium-244 peut - être déposés par la poussière cosmique. Dépôts naturels de plutonium et le neptunium sont produits par capture de neutrons dans le minerai d'uranium.

La Terre contient environ 1,33 × 10 50 atomes. Bien que de petits nombres d'atomes indépendants de gaz nobles existent, comme l' argon , le néon et l' hélium , 99% de l'atmosphère est liée sous la forme de molécules, y compris le dioxyde de carbone et diatomique oxygène et l' azote . A la surface de la Terre, une majorité écrasante des atomes se combinent pour former divers composés, y compris l' eau , le sel , les silicates et les oxydes . Les atomes peuvent également se combiner pour créer des matériaux qui ne se composent pas de molécules discrètes, y compris des cristaux et des liquides ou solides métaux . Cette matière atomique forme des arrangements en réseau qui ne disposent pas du type particulier de petite échelle interrompue commande associée à la matière moléculaire.

formes rares et théoriques

éléments superlourds

Bien que les isotopes avec des numéros atomiques plus élevés que le plomb (82) sont connus pour être radioactifs, une « île de stabilité » a été proposée pour certains éléments avec des numéros atomiques ci - dessus 103. Ces éléments superlourds peuvent avoir un noyau qui est relativement stable par rapport à la désintégration radioactive. Le candidat le plus probable pour un atome superlourde stable, unbihexium , dispose de 126 protons et 184 neutrons.

matière exotique

Chaque particule de matière a un correspondant antimatière particule de la charge électrique opposée. Ainsi, le positron est chargé positivement antielectron et l' antiproton est un équivalent chargé négativement d'un proton . Lorsqu'une affaire et rencontre correspondante des particules d'antimatière, ils annihilent. De ce fait , et aussi d'un déséquilibre entre le nombre de particules de matière et d' antimatière, ces derniers sont rares dans l'univers. Les premières causes de ce déséquilibre ne sont pas encore pleinement compris, bien que les théories de baryogénèse peuvent offrir une explication. En conséquence, aucun atome d'antimatière ont été découverts dans la nature. Cependant, en 1996 , l'homologue d'antimatière de l'atome d'hydrogène ( antihydrogène ) a été synthétisé au CERN laboratoire à Genève .

D' autres atomes exotiques ont été créées par le remplacement de l' un des protons, de neutrons ou d' électrons avec d' autres particules qui ont la même charge. Par exemple, un électron peut être remplacé par un plus massif muon , formant un atome muonique . Ces types d'atomes peuvent être utilisés pour tester les prédictions fondamentales de la physique.

Voir également

Remarques

Références

Sources

Pour en savoir plus

Liens externes