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1. La matière

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 L’atome simplifié


Introduction

La matière comme tout le monde le sait est constituée d'atomes.
Comme ils sont infiniment petits, il est difficile d’évaluer leur importance.

Ceux-ci sont eux-mêmes formés de particules encore plus petites, chargées électriquement : les protons et les électrons. Les protons portent une charge positive, et les électrons une charge négative,

Dans les atomes, les électrons sont reliés aux protons par une quantité d'énergie qui assure leur liaison, les neutrons.

1.1 Les atomes

Des philosophes grecs de l’Antiquité avaient déjà imaginé une théorie atomique. Démocrite fut un des premiers atomistes qui croyait que lorsqu’on divisait un corps en parties plus petites, on arrivait inévitablement à un élément non divisible, l’atome (du grec atomos).

Au début du XIXème siècle, John Dalton en Angleterre énonça la première théorie atomique scientifique. Il émit l’idée que les réactions chimiques étaient issues de l’interaction de particules indivisibles, les atomes, en mémoire des premiers philosophes.

Coïncidence intéressante, John Dalton est le même homme de science d’où provient le terme « Daltonisme ». En effet, John Dalton décéda en 1844 et demanda qu’on l’autopsie pour déterminer la cause de sa cécité chromatique. Ce fut sa dernière expérience scientifique qui révéla que l’achromatopsie n’était pas causée par la couleur  de l’humeur aqueuse de l’œil mais bien par une déficience au niveau de la rétine. Nous verrons plus en détail les anomalies de la vision dans la partie 3.4.2 de la section sur la "Physiologie de la couleur".

1.2 L’électron

Ce fut en 1897 que l'anglais J.J. Thomson découvrit l’électron. Il constata que les atomes émettaient de petites particules de charges électriques négatives.
Comme l'atome est électriquement neutre, il en déduisit qu'il possédait aussi une charge électrique positive en son for intérieur.
Cette charge positive est le proton qui sera découverte par un de ses étudiant Ernest Rutherford.

Simulation d’un atome à notre échelle
sur un plan bidimensionnel

Si on agrandissait un électron jusqu'à ce que son diamètre soit l'équivalent
d'une bille d'un centimètre alors son poids serait équivalent à celui de la masse totale de la Terre.

Pour évaluer sa distance du noyau imaginons le centre de Montréal
et l'électron faisant un milliard de tours en 1/100 000 de seconde
avec un diamètre équivalent à la distance entre Longueil et Laval.
1.3 Le proton

Le proton fut découvert en 1919 par Ernest Rutherford. Fait intéressant Rutherford fut chercheur à l’université McGill de Montréal de 1898 à 1907.
C’est là qu’il fit d’importantes découvertes sur la radio-activité.

Le proton positif au centre du noyau atomique est 1,820 fois plus lourd que l'électron (son pendant négatif). Son espérance de vie est de 10 à la puissance 20 fois l'âge de l'univers qui lui est d'environ quinze milliards d'années. La terre en comparaison est vieille de seulement quatre milliards d'années et des poussières.

Simulation d'un proton par le département de physique de l'université de Californie

1.4 Le neutron

Le neutron fut découvert en 1932 par James Chadwick. Le neutron comme son nom l’indique est électriquement neutre, et fait partie de tous les noyaux atomiques, sauf de celui du noyau d'hydrogène normal.

Pour la plupart des noyaux, sauf les plus petits, le nombre de neutrons est égal, ou le plus souvent supérieur, au nombre de protons.

Simulation d'un neuton par l'université Biaymstoku de Pologne

En conclusion

La durée et les forces en jeu de l’énergie atomique sont impressionnantes. La matière en soi représente une source de puissance incommensurable, nous ne parlerons pas des autres sous éléments tels que quarks, anti-quarks, leptons, baryons, gluons et autres saveurs exotiques de l’atome.

La physique quantique relève d’un univers mathématique abstrait que nous n’aborderons pas ici. Dans les pages suivantes nous tenterons simplement de comprendre l’interaction entre l’atome matière et le photon lumière.