Meilleure réponse
La masse dun atome dun élément est la somme totale de la masse de tous les protons et celle de tous les neutrons Masse de les électrons sont négligeables
Il y a un seul proton et une seule élection dans latome dhydrogène et il ny a pas de neutron
Donc, masse dun atome dhydrogène = masse dun proton + masse de un électron
Tous les autres éléments ont plus de nombre de protons et de neutrons que celui de lhydrogène
Par conséquent, lhydrogène est lélément le plus léger du tableau périodique.
Réponse
Les atomes sont petits. Vraiment, vraiment petit. Vous avez probablement entendu dire que la matière est faite de paquets de ces petites choses. Vous savez probablement aussi que vous ne pouvez pas les voir à lœil nu. On nous dit d’avoir confiance dans l’idée que les atomes sont là, interagissent les uns avec les autres et sont des éléments constitutifs de notre monde.
Pour la plupart des gens, cependant, ce n’est pas suffisant. La science est fière de la façon dont elle utilise de vraies observations pour élucider les mystères de lunivers – alors comment en sommes-nous arrivés à conclure que les atomes existent, et quavons-nous appris sur ces minuscules structures?
Cela pourrait sembler comme sil y avait un moyen simple de prouver lexistence des atomes: mettez-les sous le microscope. Mais cette approche ne fonctionnera pas. En fait, même les microscopes à focalisation lumineuse les plus puissants ne peuvent pas visualiser des atomes isolés. Ce qui rend un objet visible, cest la façon dont il dévie les ondes lumineuses visibles. Les atomes sont tellement plus petits que la longueur donde de la lumière visible que les deux ninteragissent pas vraiment. Pour le dire autrement, les atomes sont invisibles à la lumière elle-même. Cependant, les atomes ont des effets observables sur certaines des choses que nous pouvons voir.
La lumière visible ne peut pas révéler des atomes individuels (Crédit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
La lumière visible ne peut pas révéler atomes individuels (Crédit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Il y a des centaines dannées, en 1785, le scientifique néerlandais Jan Ingenhousz étudiait un phénomène étrange dont il narrivait pas à comprendre. De minuscules particules de poussière de charbon jaillissaient à la surface dun peu dalcool dans son laboratoire.
Même les microscopes à focalisation lumineuse les plus puissants ne peuvent pas visualiser des atomes isolés
Environ 50 ans plus tard , en 1827, le botaniste écossais Robert Brown a décrit quelque chose de curieusement similaire. Il a fait dresser son microscope sur certains grains de pollen. Brown a remarqué que certains des grains libéraient de minuscules particules – qui séloignaient ensuite du grain de pollen dans une danse agitée aléatoire.
Au début, Brown se demanda si les particules étaient vraiment une sorte dorganisme inconnu. Il a répété l’expérience avec d’autres substances comme la poussière de roche, dont il savait qu’elle n’était pas vivante, et a de nouveau vu le même mouvement étrange.
Il faudrait près d’un siècle à la science pour fournir une explication. Einstein est venu et a développé une formule mathématique qui prédirait ce type de mouvement très particulier – appelé alors mouvement brownien, daprès Robert Brown.
La théorie dEinstein était que les particules des grains de pollen étaient déplacées. parce quils sécraseraient constamment sur des millions de molécules deau plus minuscules – des molécules constituées datomes.
Il pourrait être surprenant que les atomes puissent être décomposés – dautant plus que «atomos» signifie «indivisible»
« Il explique ce mouvement tremblant que vous voyez comme étant en fait causé par limpact de molécules deau individuelles sur les particules de poussière ou tout ce que vous avez sur votre liquide », explique Harry Cliff au Université de Cambridge, qui est également conservateur au Science Museum de Londres.
En 1908, des observations étayées par des calculs avaient confirmé que les atomes étaient réels. Dici une dizaine dannées, les physiciens pourraient aller plus loin. En séparant les atomes individuellement, ils ont commencé à avoir une idée de leur structure interne.
Il pourrait être surprenant que les atomes puissent être décomposés – dautant plus que le nom même datome dérive dun terme grec «atomos» , qui signifie «indivisible». Mais les physiciens savent maintenant que les atomes ne sont pas de petites boules solides. Il vaut mieux les considérer comme de minuscules systèmes électriques «planétaires». Ils sont généralement composés de trois parties principales: les protons, les neutrons et les électrons. Pensez aux protons et aux neutrons comme formant ensemble un «soleil», ou noyau, au centre du système. Les électrons gravitent autour de ce noyau, comme les planètes.
Les atomes sont constitués de particules plus petites (Crédit: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Les atomes sont constitués de particules plus petites (Crédit : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Si les atomes sont incroyablement petits, ces particules subatomiques le sont encore plus. Curieusement, la première particule découverte était en fait la plus petite des trois – lélectron.
Pour avoir une idée de la différence de taille ici, les protons dans le noyau sont en fait environ 1830 fois plus gros que les électrons . Imaginez une petite bille en orbite autour d’une montgolfière – c’est le genre de divergence dont nous parlons ici.
Cest en quelque sorte lun des premiers accélérateurs de particules
Mais comment savons-nous que ces particules sont là? La réponse est que, bien que minuscules, ils peuvent avoir un impact important. Le physicien britannique qui a découvert les électrons, JJ Thomson, a utilisé une méthode particulièrement accrocheuse pour prouver leur existence en 1897.
Son appareil spécial sappelait un tube de Crookes – un morceau de verre de forme amusante dont presque tout lair était aspiré par une machine. Ensuite, une charge électrique négative a été appliquée à une extrémité du tube. Cette charge était suffisante pour dépouiller les molécules de gaz restantes dans le tube de certains de leurs électrons. Les électrons sont chargés négativement, ils ont donc volé le long du tube vers lautre extrémité. Grâce au vide partiel, ces électrons ont pu traverser le tube sans quaucun gros atome ne les gêne.
La charge électrique a fait bouger les électrons très rapidement – environ 37 000 miles par seconde (59 500 kilomètres par seconde) – jusquà ce quils se brisent dans le verre à lextrémité, frappant encore plus délectrons associés aux atomes là-bas. Étonnamment, les collisions entre ces minuscules particules ahurissantes ont généré tellement dénergie quelles ont créé une fantastique lueur vert-jaune.
Un tube de Crookes avec du métal en forme de croix maltaise (Crédit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Un tube de Crookes avec du métal en forme de croix maltaise (Crédit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
«Cest lun des premiers accélérateurs de particules dune certaine manière», dit Cliff. « Il accélère les électrons dune extrémité du tube à lautre et ils frappent lécran à lautre extrémité et donnent cette lueur phosphorescente. »
La découverte de lélectron a suggéré quil y avait plus à apprendre sur les atomes
Parce que Thomson a découvert quil pouvait réellement diriger les faisceaux délectrons avec des aimants et des champs électriques, il savait quil ne sagissait pas seulement de rayons de lumière étranges – ils devaient être des particules chargées.
Et si vous vous demandez comment ces électrons pourraient voler indépendamment de leurs atomes, cest à cause dun processus appelé ionisation, dans lequel – dans ce cas – une charge électrique change la structure de latome en poussant ces électrons dans lespace autour.
En fait, cest parce que les électrons sont si facilement manipulés et déplacés que les circuits électriques sont possibles. Les électrons dun fil de cuivre se déplacent dans un mouvement semblable à un train dun atome de cuivre à lautre – et cest ce qui transporte la charge à travers le fil jusquà lautre extrémité. Il est à noter que les atomes ne sont pas de petits morceaux solides de matière, mais des systèmes qui peuvent être modifiés ou subir des changements structurels.
Les ampoules brillent à cause du flux délectrons (Crédit: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Les ampoules brillent à cause du flux délectrons (Crédit: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Mais la découverte de lélectron a suggéré quil y avait plus à apprendre sur les atomes. Les travaux de Thomson ont révélé que les électrons sont chargés négativement – mais il savait que les atomes eux-mêmes n’avaient pas de charge globale. Il a raisonné quils devaient contenir de mystérieuses particules chargées positivement pour annuler les électrons chargés négativement.
Il avait démontré lexistence dun noyau dense dans latome
Expériences au début du 20 Century a identifié ces particules chargées positivement et en même temps a révélé la structure interne semblable au système solaire de latome.
Ernest Rutherford et ses collègues ont pris une feuille métallique très fine et lont placée sous un faisceau de rayonnement chargé positivement – un flux de petites particules. La plupart des radiations puissantes ont traversé, exactement comme Rutherford le pensait, étant donné la finesse du foil. Mais étonnamment, une partie a rebondi.
Rutherford a estimé que les atomes de la feuille métallique doivent contenir de petites zones denses avec une charge positive – rien dautre naurait le potentiel de refléter le rayonnement à un diplôme. Il avait trouvé les charges positives dans latome – et simultanément prouvé quelles étaient toutes regroupées en une masse serrée dune manière que les électrons ne le sont pas. En dautres termes, il avait démontré lexistence dun noyau dense dans latome.
Le physicien de Cambridge James Chadwick était désespéré de découvrir le neutron
Cependant, il y avait encore un problème. A présent, la masse des atomes pouvait être estimée. Mais étant donné ce que lon savait sur le poids dune particule dans le noyau, lidée quelles étaient toutes chargées positivement navait aucun sens.
«Le carbone a six électrons et donc six protons dans le noyau – six charges positives et six charges négatives », explique Cliff. « Mais le noyau de carbone ne pèse pas six protons, il pèse [léquivalent de] 12 protons. »
Au début, on pensait que les six autres particules nucléaires auraient la même masse que les protons mais seraient charge neutre: neutrons. Mais personne ne pouvait le prouver. En fait, les neutrons n’ont été découverts que dans les années 1930.
Tout autour de nous est fait datomes (Crédit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Tout autour de nous est fait datomes (Crédit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Le physicien de Cambridge James Chadwick était désespéré de découvrir le neutron. Il travaillait sur la théorie depuis des années. En 1932, il a fait une percée.
Dans les années 1930, nous avions beaucoup découvert les atomes, mais personne nen avait produit une image directe
Quelques années plus tôt, dautres physiciens avaient expérimenté le rayonnement. Ils ont tiré un rayonnement chargé positivement – le même type que Rutherford avait utilisé pour découvrir le noyau – sur les atomes de béryllium. Le béryllium expulsait son propre rayonnement: un rayonnement qui nétait ni chargé ni positivement ni négativement, et qui pouvait pénétrer loin à travers le matériau.
À ce moment-là, dautres avaient déjà établi que le rayonnement gamma était neutre et pénétrant profondément , donc les physiciens ont supposé que cétait ce que les atomes de béryllium libéraient. Mais Chadwick n’était pas convaincu.
Il a généré lui-même une partie du nouveau rayonnement et l’a dirigé vers une substance qu’il savait riche en protons. De manière inattendue, les protons ont été projetés en lair loin du matériau comme sils avaient été touchés par des particules de même masse – comme des balles de billard frappées par dautres balles de billard.
Les rayons gamma ne peuvent pas dévier les protons de cette façon, Chadwick réalisa que les particules en question ici devaient avoir la même masse que le proton mais manquer de sa charge électrique: cétaient des neutrons.
Tous les éléments clés de latome avaient été trouvés, mais le Lhistoire ne sarrête pas là.
Vous pouvez même déterminer à quoi ressemblent les atomes en les poussant
Bien que nous ayons découvert beaucoup plus de choses sur les atomes quauparavant, ils étaient encore difficiles à visualiser. Et dans les années 1930, personne navait produit une image directe de lun deux – ce que beaucoup de gens voudraient voir pour vraiment accepter quils soient là.
Il est important de noter que les techniques qui avait été utilisé par des scientifiques comme Thomson, Rutherford et Chadwick, ouvrirait la voie à de nouveaux équipements qui finiraient par nous aider à produire ces images. Les faisceaux délectrons générés par Thomson dans son expérience sur le tube de Crookes se sont avérés particulièrement utiles.
Aujourdhui, des faisceaux similaires sont générés par des microscopes électroniques, et le plus puissant de ces microscopes peut en fait créer des images datomes individuels. En effet, un faisceau délectrons peut avoir une longueur donde des milliers de fois plus courte quun faisceau lumineux – si courte, en fait, que les ondes électroniques peuvent être déviées par de minuscules atomes pour générer une image dune manière que les faisceaux lumineux ne peuvent pas.
Neal Skipper, de lUniversity College London, déclare que ces images sont utiles pour les personnes qui souhaitent étudier la structure atomique de substances spéciales – celles utilisées pour fabriquer des batteries pour voitures électriques, par exemple. Plus nous en savons sur leur structure atomique, mieux nous pouvons les concevoir pour être efficaces et fiables.
Les microscopes à force atomique peuvent nous montrer des atomes individuels (Crédit: Flirt / Alamy Stock Photo)
Les microscopes à force atomique peuvent nous montrer des atomes individuels (Crédit: Flirt / Alamy Stock Photo)
Vous pouvez même déterminer à quoi ressemblent les atomes en les poussant dessus. Cest essentiellement ainsi que fonctionne la microscopie à force atomique.
Dans un liquide, lorsque vous le chauffez, vous pouvez voir que les atomes ont des configurations plus désordonnées
Lidée est dapporter la pointe de une sonde extrêmement petite près de la surface dune molécule ou de la surface dun matériau. À des endroits aussi proches, la sonde sera sensible à la structure chimique de tout ce sur quoi elle est pointée, et le changement de résistance à mesure quelle se déplace à travers elle permet aux scientifiques de produire des images de ce à quoi, par exemple, une molécule individuelle ressemble.
Récemment, des chercheurs ont publié de merveilleuses images dune molécule avant et après une réaction chimique en utilisant cette méthode.
Skipper ajoute que de nombreuses recherches atomiques explorent aujourdhui comment la structure des choses change quand une haute pression , ou température extrême, est appliquée. La plupart des gens savent que lorsquun matériau est chauffé, il se dilate souvent. Il est désormais possible de détecter les changements atomiques qui se produisent et qui rendent cela possible.
« Dans un liquide, en le chauffant, vous pouvez voir que les atomes ont des configurations plus désordonnées », explique Skipper. « Vous pouvez le voir directement sur la carte structurelle. »
Skipper et dautres physiciens peuvent également travailler sur les atomes en utilisant les faisceaux de neutrons identifiés pour la première fois par Chadwick dans les années 1930.
Vous pouvez identifier atomes en détectant lénergie des rayons gamma uniquement
«Ce que nous faisons souvent, cest de tirer des faisceaux de neutrons sur des morceaux de matériaux et à partir du modèle de diffusion qui émerge, vous pouvez comprendre que vous diffusiez des neutrons à partir du noyau », dit-il. « Vous pouvez calculer la masse et la taille approximative de l’objet qui effectuait la diffusion. »
Mais les atomes ne sont pas toujours assis là, calmement stables, attendant d’être examinés. Parfois, ils se décomposent – ce qui signifie quils sont radioactifs.
Il existe de nombreux éléments radioactifs naturels. Le processus génère de lénergie, qui forme la base de lénergie nucléaire – et des bombes nucléaires. La recherche des physiciens nucléaires consiste généralement à essayer de mieux comprendre les réactions dans lesquelles le noyau subit des changements fondamentaux comme ceux-ci.
Les atomes duranium peuvent se diviser en deux (Crédit: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
p> Les atomes duranium peuvent se diviser en deux (Crédit: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Laura Harkness-Brennan de lUniversité de Liverpool se spécialise dans létude des rayons gamma – un type de rayonnement émis par décomposition les atomes. Un atome radioactif dun type donné génère une forme spécifique de rayon gamma. Cela signifie que vous pouvez identifier les atomes en détectant lénergie des rayons gamma uniquement – et cest exactement ce que fait Harkness-Brennan dans son laboratoire.
Nous navons pas seulement déterminé ce que sont les atomes, nous avons réalisé quil sagit de structures merveilleusement complexes
«Les types de détecteurs que vous utiliseriez sont des détecteurs qui vous permettent de mesurer à la fois la présence du rayonnement mais aussi lénergie du rayonnement qui est déposé», dit-elle, « Et cest parce que les noyaux ont tous une empreinte digitale caractéristique. »
Parce quil peut y avoir toutes sortes datomes présents dans une zone où le rayonnement est détecté, en particulier après une grande réaction nucléaire, il est important de savoir précisément quels isotopes radioactifs sont présents. Ce type de détection est couramment effectué dans les centrales nucléaires, ou dans les zones où il y a eu des catastrophes nucléaires.
Harkness-Brennan et ses collègues travaillent maintenant sur des systèmes de détection qui peuvent être installés dans de tels endroits pour montrer , en trois dimensions, où le rayonnement peut être présent dans une pièce particulière. « Ce que vous voulez faire, cest avoir des techniques et des outils qui vous permettent dimaginer un espace en trois dimensions et de vous dire dans cette pièce, dans ce tuyau, cest là que se trouve le rayonnement », dit-elle.
Étant donné à quel point latome est petit, cest étonnant de voir combien de physique nous pouvons en tirer
Il est également possible de visualiser le rayonnement dans une «chambre à nuages». Il sagit dune expérience spéciale dans laquelle la vapeur dalcool, refroidie à -40 ° C, dérive dans un nuage autour dune source radioactive. Les particules de rayonnement chargées qui séloignent de la source éliminent les électrons des molécules dalcool. Cela fait condenser lalcool en liquide autour du trajet de la particule émise. Les résultats de ce type de détection sont vraiment assez étonnants.
Nous navons pas seulement déterminé ce que sont les atomes, nous avons réalisé que ce sont des structures merveilleusement complexes qui peuvent subir des changements étonnants – dont beaucoup se produisent naturellement. Et en étudiant les atomes de cette façon, nous avons pu améliorer nos technologies, exploiter l’énergie des réactions nucléaires et mieux comprendre le monde naturel qui nous entoure. Nous avons également été en mesure de mieux nous protéger des radiations et de découvrir comment les matériaux changent lorsquils sont placés dans des conditions extrêmes.
Harkness-Brennan le dit bien: «Étant donné la taille de latome, il est étonnant de voir combien de physique nous peut en sortir. »
Tout ce que nous pouvons voir autour de nous est fait de ces petites choses. Il est bon de savoir qu’ils sont là-bas, ce qui rend tout possible.