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PARTICULES ELEMENTAIRES ET ATOME HYDROGÈNE

La théorie de Démocrite peut se résumer en 3 propositions.

  • Toutes les matières sont composées de très petites particules indivisibles, les atomes.

  • Tous les atomes sont formés d'une même substance.

  • Toutes les différences qu'on observe entre les diverses matières sont explicables en termes de forme, ordre et position des atomes.

En admettant que les atomes de Démocrite sont bien ce que nous appelons nous-mêmes atomes, la première proposition doit être modifiée. Mais cela n'est pas d'une importance fondamentale, car ce qu'on fait aujourd'hui n'est que rechercher un peu plus loin dans l'infiniment petit les particules qu'on pourrait qualifier d'élémentaires. Les deuxième et troisième propositions peuvent être conservées telles qu'elles. Elles préfigurent nettement certains chapitres de la physique moderne comme l'étude des milieux cristallins.

Une fois émise, la théorie atomique de Démocrite ne fut jamais complètement oubliée, mais il fallut attendre le XVIIIe siècle et surtout le XIXe siècle pour que les expériences de chimie donnent aux atomes un caractère plus concret. Les notions de poids atomique et de valence datent du XIXe siècle et c'est en 1869 que Mendéléev publia sa classification périodique des éléments.

1.1.2  Particules élémentaires et atomes. Définition

On appelle particule élémentaire toute particule qui n'est pas dissociable en d'autres particules.

Vers 1910, l'atome est considéré comme formé d'un noyau positif, autour duquel gravitent les électrons. Il apparaaît ensuite que le noyau est formé de neutrons et de protons. A ce stade des connaissances correspond une situation très satisfaisante pour l'esprit. Toute la matière est réputée formée par l'assemblage de trois particules élémentaires seulement, le proton, l'électron et le neutron.

La découverte ultérieure de nouvelles particules n'a pas tardé à détruire cette image simpliste de la réalité. On dénombre aujourd'hui plusieurs centaines de particules et il est devenu très difficile de savoir lesquelles méritent réellement le qualificatif d'élémentaires.

Pour l'essentiel de nos besoins, il suffit de connaître quatre particules dont les caractéristiques principales sont résumées dans le tableau 1.1.

Tableau1.1

Si l'on assemble neutrons, protons et électrons en respectant les deux règles suivantes :

  •  le nombre de protons est égal au nombre d'électrons,

  •  les atomes légers (sauf l'hydrogène) ont un nombre de neutrons sensiblement égal à celui des protons tandis que les atomes lourds ont davantage de neutrons que de protons,

on peut théoriquement bâtir les atomes de tous les éléments. Le plus simple d'entre eux, l'atome hydrogène, n'est formé que d'un proton et d'un électron.

L'étude théorique de l'atome hydrogène par la mécanique quantique constitue l'un des premiers succès de cette discipline. Le modèle quantique de l'atome hydrogène est intéressant à divers titres. En particulier :

  •  il donne, au prix de calculs relativement simples, le comportement le plus général de cet atome,

  •  il sert de base à l'édification de modèles plus complexes permettant de disposer logiquement les éléments dans la table de Mendéléev et de comprendre mieux les propriétés de groupes d'éléments apparaissant dans cette table.

Un système physique est correctement décrit par l'une ou l'autre des mécaniques selon l'ordre de grandeur de son action [1], ou d'autres quantités telles que son énergie ou sa temoérature. Lorsque l'action est grande vis à vis de la constante de Planck h = 6.626 10^-34 J s.