Photographie/Physique-chimie/Constitution de la matière

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La matière a-t-elle une structure continue ou discontinue ? Peut-on la diviser en morceaux aussi petits que l'on veut sans en changer les propriétés ? Cette question a très longtemps divisé les philosophes. L'un des éléments en faveur de la théorie atomique est l'existence des cristaux, dont les formes géométriques font penser à des empilements réguliers de petits éléments de matière.


Selon l'hypothèse moléculaire, la division d'un corps chimiquement défini en particules de plus en plus petites ne peut être poursuivie indéfiniment sans changer la nature de ce corps. La molécule est la plus petite fraction d'un corps susceptible d'exister à l'état libre. Chaque molécule, spécifique d'un composé chimique donné, peut à son tour être divisée en un certain nombre d'objets plus petits, les atomes qui caractérisent les éléments chimiques dont est formé ce composé.


Conceptions antiques[modifier | modifier le wikicode]

La science moderne n'a fait que préciser ce concept proposé voici 25 siècles par les Grecs Leucippe et Démocrite, pour qui la nature est composée dans son ensemble de deux principes : les atomes (ce qui est plein) et le vide (ou néant). L'existence des atomes peut être déduite de ce principe : « Rien ne vient du néant, et rien, après avoir été détruit, n'y retourne. » Il y a ainsi toujours du plein, c'est-à-dire de l'être, et le non-être est le vide. Les atomes sont des corpuscules solides et indivisibles, séparés par des intervalles vides, et dont la taille fait qu'ils échappent à nos sens. Décrits comme lisses ou rudes, crochus, recourbés ou ronds (ils sont infinis par leur forme, figure et grandeur), ils ne peuvent être affectés ou modifiés à cause de leur dureté.

Si l'on s'en rapporte à l'étymologie, atome signifie "que l'on ne peut couper". La réalité est un peu moins simple et depuis un siècle la conception de l'atome n'a cessé d'évoluer !

L'intuition géniale de Leucippe et Démocrite, née dit-on de l'observation de rais de lumière révélant la présence dans l'air de minuscules poussières invisibles à l'œil nu, fut reprise plus tard dans les théories philosophiques d'Épicure, pour qui l'agencement des atomes capables de vibrer sur place et de s'agréger permet la formation des substances de plus en plus complexes qui constituent le monde matériel.

Naturellement, cette conception purement matérialiste du monde a été de tous temps, et est encore, la bête noire des religieux de tous poils qui n'ont jamais hésité à la discréditer par tous les moyens imaginables. Épicure mena une vie simple et frugale mais sa théorie philosophique fut présentée comme une apologie de la débauche et de la jouissance bestiale.

Conceptions modernes[modifier | modifier le wikicode]

Le 26 février 1896 au matin, le soleil a bien du mal à percer. Henri Becquerel, qui étudie la fluorescence de certains composés soumis à la lumière du Soleil, range son matériel dans un tiroir : quelques plaques photo sur lesquelles il pose un écran de cuivre et les sels d'uranium qui constituent le sujet de son expérience. Surprise : les plaques, développées quelques jours plus tard, sont voilées. On y distingue la silhouette de l'écran de cuivre. Un rayonnement inconnu a donc transpercé l'emballage opaque.

Henri Becquerel ne le sait pas encore, mais il vient de découvrir la radioactivité naturelle. Il pense très vite aux rayons X dont Röntgen a révélé l'existence en 1895 et dont les effets sont comparables.


Le hasard une fois de plus, mais aussi la photo, sont intervenus lors d'une découverte importante. Seulement voilà, comme dit le proverbe, chaque découverte posant de nouvelles questions, la quantité d'ignorance croît beaucoup plus vite que la quantité de savoir !


Nouvel événement : en 1897, Joseph John Thomson découvre l'électron, « grain d'électricité négative », dont il précisera la masse en 1904. Désormais, l'atome ne peut plus être considéré comme une entité insécable ! Thomson conçoit l'atome comme une sorte de « magma » chargé positivement et renfermant les électrons porteurs de charges négatives. On parle du « pudding de Thomson ».


Entre temps, on trouve que le thorium est lui aussi radioactif. En 1898, Pierre et Marie Curie découvrent le polonium et le radium.

L'activité des atomes se manifeste sous des jours divers. Les rayonnements α (alpha) et β (bêta), respectivement porteurs de charges positives et négatives, sont déviés en sens opposé lorsqu'ils traversent un champ électrique ou un champ magnétique. On sait qu'il s'agit de particules car on peut les suivre à la trace grâce au scintillement des écrans fluorescents. Les rayons γ (gamma), par contre, ne sont pas chargés électriquement. Ils traversent en ligne droite les champs électriques ou magnétiques.

On apprend aussi que ces rayonnements sont très nocifs et qu'il convient de s'en protéger.


En 1911, chargé par Thomson de vérifier son modèle atomique, Ernest Rutherford enferme du radium dans une enceinte de plomb. Les particules α ne peuvent s'en échapper que par une petite ouverture obturée d'une mince feuille d'or. Des écrans sont disposés sur les murs de façon que l'on puisse observer leur trajectoire après qu'elles ont traversé la feuille d'or.

Rutherford observe que les particules traversent l'or en ligne droite, sauf quelques unes qui sont fortement déviées. Il en déduit que les atomes sont constitués de beaucoup de vide et d'un peu de matière très fortement concentrée dans ce qu'il nomme alors le "noyau" atomique. Les rares particules déviées sont celles qui ont rencontré de la matière sur leur trajectoire.

L'atome imaginé par Rutherford est donc constitué essentiellement de vide avec des électrons qui « gravitent » à la manière des satellites autour d'un noyau très dense. On sait aujourd'hui que le diamètre du noyau est environ 100 000 fois plus petit que celui de l'atome.


C'est le Danois Niels Bohr qui le premier suggère un modèle satisfaisant pour représenter la constitution des atomes, à la lumière d'une théorie développée à partir de 1900 par Max Planck, la mécanique quantique. Théorie pas facile, et dérangeante pour l'esprit ! A l'échelle atomique, tout varie de façon discontinue, les échanges ne font intervenir que des quantités bien définies de matière, d'énergie, de rayonnement, etc., appelées quanta (pluriel latin de quantum).

La théorie des quanta révolutionne la physique à tel point qu'Einstein écrit : “ses travaux [de Planck] ont donné un élan presque inégalé aux progrès de la science. Leurs effets se feront sentir tant que durera la science.” En 1905, Einstein lui-même va plus loin en postulant l'existence d'un corpuscule de lumière, ou photon, dont nous ne manquerons pas de reparler en temps utile. Que ferait le photographe sans les photons ?

Selon la théorie développée par Bohr en 1913, à l'image du système solaire, chaque atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. La différence fondamentale avec l'atome de Rutherford est que les orbites de ces électrons correspondent obligatoirement à des niveaux d'énergie bien définis.

Le noyau et l'atome[modifier | modifier le wikicode]

Atome de lithium stylisé.
Rouge : protons
Bleu : neutrons
Noir : électrons

La vision du noyau atomique se précise quand le neutron, pressenti dès 1920 par Rutherford, est découvert en 1932 par James Chadwick.

Le noyau comporte deux types essentiels de particules ou nucléons :

  • les protons sont des « grains » d'électricité positive, de masse 1,66.10-24 g, ils portent une charge élémentaire e = 1,6.10-19 coulomb,
  • les neutrons, dont la masse est très légèrement supérieure à celle des protons, sont totalement dépourvus de charge électrique.


Quant aux électrons, ils ont une masse environ 2 000 fois plus faible que celle des nucléons, 0,9.10-27 g, et ils portent une charge électrique négative opposée à celle du proton.

Les atomes étant normalement électriquement neutres contiennent donc un même nombre Z de protons et d'électrons. Ce nombre est appelé numéro atomique. Il caractérise, comme nous le verrons, chaque élément chimique.

Certains atomes de même numéro atomique contiennent un nombre différent de neutrons. Ce sont des isotopes.

Les atomes dont les numéros atomiques sont différents mais qui contiennent le même nombre total de nucléons (nombre de masse) sont des isobares.

Dans l'état normal d'un atome, chaque électron occupe une orbite stable ou « stationnaire » sur laquelle il se meut sans échanger d'énergie avec l'extérieur. Chacune des orbites possibles est caractérisée par quatre nombres quantiques qui, d'après le principe d'exclusion de Pauli, ne peuvent jamais être tous identiques pour les divers électrons d'un même atome.

Ces orbites sont réparties sur des "couches électroniques" baptisées K, L, M, N, O et P. Chacune de ces couches correspond à un niveau énergétique, c'est-à-dire à une valeur précise de l'énergie potentielle que possède l'électron tournant autour du noyau. Les différentes orbites électroniques peuvent dans une certaine mesure être comparées aux marches d'un escalier. Un objet que l'on y pose ne peut pas se trouver à n'importe quelle hauteur, mais seulement au niveau de l'une des marches. Les électrons occupent normalement les orbites de plus faible niveau énergétique, les plus "basses", et si l'un d'entre eux, sous l'effet d'une action extérieure, saute d'une orbite à l'autre, la quantité d'énergie mise en jeu prend une valeur bien définie, un quantum.

Wolfgang Pauli, surnommé le « fléau de Dieu » par un de ses collègues, était un physicien brillant mais aussi un homme d'une extrême intolérance. La légende de l'« effet Pauli » prétend que dès qu'il mettait les pieds dans un laboratoire, cela faisait échouer toutes les expériences en cours !

Inéluctablement, la science avance. En 1934, Irène et Frédéric Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle. En 1938, Otto Hahn et Fritz Strassmann découvrent la fission des atomes lourds sous l'impact des neutrons. La course à l'énergie est lancée. En 1942, Enrico Fermi fait diverger la première pile atomique à Chicago. Les applications de l'atome se diversifient, la guerre accélère les recherches...


Aujourd'hui les physiciens savent tirer des atomes tout un bric-à-brac de particules, comme les magiciens les lapins des chapeaux. Le modèle de Bohr, même amélioré, est parfaitement dépassé, mais il nous suffira amplement.

De nouveaux modèles sont arrivés, mais nous ne les évoquerons ici que pour le plaisir des yeux. Disons simplement qu'ils reposent sur des notions probabilistes.

Orbitales d.jpg
KWM O.jpg

Applications[modifier | modifier le wikicode]

Toutes ces théories ont été riches d'applications pratiques, les meilleures et les pires. Chacun connaît les utilisations de l'atome pour produire de l'énergie à des fins pacifiques ou guerrières, mais il en existe également de nombreuses autres, en particulier dans les domaines de la thérapeutique et de la photographie. Le contrôle des pièces mécaniques par gammagraphie, l'autoradiographie et la fluorographie qui permettent d'étudier les tissus animaux ou végétaux, la scintigraphie thyroïdienne, sont autant de domaines qui peuvent intéresser les photographes.

Centrale nucléaire de Civaux
Hiroshima après le 6 août 1945, avec la dédicace du pilote de l'Enola Gay, Paul Tibbets.
Le massacre était-il vraiment nécessaire ?


Physique - Chimie