fr en es pt
astronomie
 
Contacter l'auteur rss astronoo
 
 

Taille des atomes

Voir un atome d'environ 1 angström

   Mise à jour 19 octobre 2013

Du grec "atomos", indivisible, l'atome est la plus petite particule d'un élément chimique, il est constitué d'un noyau autour duquel se déplacent un certain nombre d'électrons, 1 pour l'hydrogène, 6 pour le carbone, 26 pour le fer, 92 pour l'uranium, etc.
Ce sont les interactions électrons-électrons dues à leurs étonnantes propriétés quantiques qui donnent naissance à la grande diversité des éléments que nous trouvons dans la nature. L'organisation des éléments de la nature est représentée par le tableau périodique des éléments ou table de Mendeleïev qui classifie tous les éléments chimiques naturels et artificiels, ordonnés par numéro atomique (nombre de protons) croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique.
Le monde des électrons appartient au monde quantique des atomes, c'est-à-dire au monde microscopique. Entre l'atome du monde microscopique et le monde macroscopique, il y a un très grand nombre de grandeurs. Dans 1 gramme de matière comme le carbone 12, il y a ≈1022 atomes.
On connait la taille approximative des atomes depuis 1811, Amedeo Avogadro (1776-1856) a estimé cette taille à 1 angström, c'est-à-dire 10-10 mètre et un siècle plus tard, en 1911 Ernest Rutherford (1871-1937) précise la structure de l'atome et donne une taille au noyau atomique de l'ordre de 10-14 mètre. On peut dire que les atomes sont séparés les uns des autres de quelques angströms.
Mais depuis l'avènement de la mécanique quantique, dans les années 1920, on ne se représente plus l'électron comme un objet qui tourne sur une orbite bien régulière autour du noyau, comme dans un modèle planétaire. Nous savons aujourd'hui que le mouvement d'un électron est bien différent du mouvement des planètes. En mécanique quantique l'électron ne suit pas une trajectoire unique,  il se situe ici et là, dans une région autour du noyau que l'on appelle le nuage électronique ou orbitale atomique.
Les orbitales de l'électron peuvent prendre différentes formes caractéristiques en fonction de la nature de l'atome, par exemple l'orbitale de l'atome de l'hydrogène a une forme sphérique, l'orbitale de l'atome de l'oxygène a la forme de deux gouttes d'eau, l'orbitale de l'atome de fer a la forme de quatre gouttes d'eau. Cette forme de l'orbitale atomique définit la taille de l'atome.
Ainsi le diamètre du nuage électronique autour du noyau, c'est-à-dire le diamètre de l'atome tout entier est de l'ordre de 0,1 nanomètre ou un dix milliardième de mètre. Un atome est si petit qu'on pourrait aligner 10 millions d'atomes sur un millimètre. Cependant le nuage électronique d'un atome n'a pas de dimension bien définie car c'est une superposition d'orbitales atomiques de nature probabiliste (elles varient). Il n'existe donc pas de définition unique, ni de mesure bien précise de la taille des atomes car la forme de cette région de l'espace atomique dépend de l'énergie de l'électron et de son moment cinétique.

 

Mais pour se faire une idée de la taille de l'atome, les scientifiques ont défini un rayon atomique théorique. Un rayon atomique théorique représente la moitié de la distance moyenne entre des noyaux d'atomes liés entre eux.  Bien que cette distance varie en fonction des propriétés de l'atome, on peut calculer pour chaque noyau atomique, la taille de ses orbitales atomiques (voir tableau). La taille des atomes augmente en fonction du nombre d'électrons ou plutôt en fonction de l'occupation des orbitales atomiques des électrons de la couche extérieure qui est beaucoup moins liée au noyau que les couches intérieures. Plus il y a de couches (niveaux d'énergie quantique) dans l'atome et plus la couche extérieure est étendue, autrement dit la superposition des orbitales atomiques augmente la taille des atomes car la couche extérieure est de moins en moins liée au noyau et donc plus libre. Cependant, plus il y a d'électrons dans les couches intérieures et plus l'attraction du noyau atomique est croissante car il y a de plus en plus de protons et donc de charges positives. Cette propriété (nombre de protons) limite l'extension spatiale des orbitales atomiques chargées négativement (charges négatives des électrons), en les rapprochant du noyau.

Theoretical size of atoms in picometers (pm)
(1 pm = 10-12 meter)
 size size  size  size
H  Hydrogen :
number of electron by energy levels 1
53Ca Calcium :
number of electron by energy levels 2, 8, 8, 2
194Y  Yttrium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 9, 2
212Hf Hafnium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 10, 2
208
He Helium :
number of electron by energy levels 2
31Sc Scandium :
number of electron by energy levels 2, 8, 9, 2
184Zr Zirconium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 10, 2
206Ta Tantalum :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 11, 2
200
Li Lithium :
number of electron by energy levels 2, 1
167Ti Titanium :
number of electron by energy levels 2, 8, 10, 2
176Nb Niobium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 12, 1
198W  Tungsten :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 12, 2
193
Be Beryllium :
number of electron by energy levels 2, 2
112V  Vanadium :
number of electron by energy levels 2, 8, 11, 2
171Mo Molybdenum :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 13, 1
190Re Rhenium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 13, 2
188
B  Boron :
number of electron by energy levels 2, 2
87Cr Chromium :
number of electron by energy levels 2, 8, 13, 1
166Tc Technetium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 13, 2
183Os Osmium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 14, 2
185
C  Carbon :
number of electron by energy levels 2 ,4
67Mn Manganese :
number of electron by energy levels 2, 8, 13, 2
161Ru Ruthenium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 15, 1
178Ir Iridium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 15, 2
180
N  Nitrogen :
number of electron by energy levels 2, 5
56Fe Iron :
number of electron by energy levels 2, 8, 14, 2
156Rh Rhodium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 16, 1
173Pt Platinium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 17, 1
177
O  Oxygen :
number of electron by energy levels 2, 6
48Co Cobalt :
number of electron by energy levels 2, 8, 15, 2
152Pd Palladium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18
169Au Gold :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 1
174
F  Fluorine :
number of electron by energy levels 2, 7
42Ni Nickel :
number of electron by energy levels 2, 8, 16, 2 or 2, 8, 17, 1
149Ag Silver :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 1
165Hg Mercury :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 2
171
Ne Neon :
number of electron by energy levels 2, 8
38Cu Copper :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 1
145Cd Cadmium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 2
161TL Thallium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 3
156
Na Sodium :
number of electron by energy levels 2, 8, 1
190Zn Zinc :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 2
142In Indium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 3
156Pb Lead :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 4
154
Mg Magnesium :
number of electron by energy levels 2, 8, 2
145Ga Gallium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 3
136Sn Tin :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 4
145Bi Bismuth :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 5
143
Al Aluminium :
number of electron by energy levels 2, 8, 3
118Ge Germanium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 4
125Sb Antimony :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 5
133Po Polonium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 6
135
Si Silicon :
number of electron by energy levels 2, 8, 4
111As Arsenic :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 5
114Te Tellurium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 6
123At Astatine :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 7
127
P  Phosphorus :
number of electron by energy levels 2, 8, 5
98Se Selenium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 6
103I  Iodine :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 7
115Rn Radon :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 8
120
S  Sulfur :
number of electron by energy levels 2, 8, 6
88Br Bromine :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 7
94Xe Xenon :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 8
108  
Cl Clorine :
number of electron by energy levels 2, 8, 7
79Kr Krypton :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 8
88Cs Caesium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 8, 1
298  
Ar Argon :
number of electron by energy levels 2, 8, 8
71Rb Rubidium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 8, 1
265Ba Barium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 8, 2
253  
K  Potassium :
number of electron by energy levels 2, 8, 8, 1
243Sr Strontium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 8, 2
219Lu Lutetium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 9, 2
217  

Tableau : rayon atomique théorique (calculé) de certains atomes, la taille est donnée en picomètres (10-12 mètre). Le rayon atomique est la moitié de la distance qui sépare les noyaux de deux atomes contigus. Les valeurs indiquées dans ce tableau ne sont qu'indicatives.

 Taille des atomes

Image : Depuis les années 1990 grâce au microscope à effet tunnel il est possible de voir et de manipuler individuellement les atomes à la surface d'un matériau. Cela permet de réaliser de petites structures atomiques qui sont à la base des nanotechnologies.
Pour réaliser ce type d'image, la pointe très fine du microscope à effet tunnel balaye la surface du matériau, à quelques nanomètres d'altitude en émettant une tension électrique constante. En passant au-dessus des orbitales atomiques, elle est capable d'enregistrer des variations infimes du courant tunnel qui va circuler à la surface.
A la surface du matériau, un petit flux d’électrons réussit à franchir la barrière de potentiel par « effet tunnel », un phénomène bien connu de la mécanique quantique. Ce courant électrique est alors mesuré par le microscope à effet tunnel et la pointe reproduit fidèlement la topographie de la surface, avec une résolution de l’ordre de 0,1 nanomètre ou 1 angström, c'est-à-dire la taille de l’atome. C'est ainsi que nous pouvons voir aujourd'hui, ce mystérieux monde quantique dans lequel évoluent toutes les particules de matière et aussi se représenter la structure cristalline des éléments chimiques dans l'infiniment petit. Crédit image : STM Image Gallery Blue Nickel.

N. B. : Plusieurs atomes peuvent établir des liaisons chimiques entre eux grâce à leurs électrons et d'une manière générale, les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par leur configuration électronique, laquelle découle du nombre de protons de leur noyau. Ce nombre, appelé numéro atomique, définit un élément chimique.

Le plus petit film du monde

    

Depuis les années 1990 grâce au microscope à effet tunnel il est possible de voir et de manipuler individuellement les atomes à la surface d'un matériau.
Ce film a été réalisé par la société IBM,  avec des atomes de fer sur une plaque de cuivre, c'est le plus petit film au monde.
Dans ce nano film chaque point lumineux est un atome, qui occupe sur cet écran 12 pixels.
Les petites vagues successives qui créent des oscillations autour des points lumineux ne sont pas un défaut du film mais des vagues d'électrons. Ces oscillations de Friedel ne sont pas une bizarrerie mais trahissent la nature quantique des atomes, à la fois particules et ondes. La forme de ces oscillations constitue une véritable carte d’identité des électrons.
Ce film à l’échelle du nanomètre, mesure 52 atomes de fer par 32, c'est-à-dire ≈8 nanomètres sur ≈5 nanomètres. Sur un longueur de 1 millimètre on pourrait aligner 10 000 films de cette taille.
Chaque image est produite avec la pointe d'un microscope à effet tunnel, à quelques degrés du zéro absolu, c'est aussi le film le plus froid du monde.

N. B. : Jacques Friedel (1921 − 2014) est physicien français, professeur émérite à l'université Paris-Sud Orsay, spécialiste de la physique théorique des solides. Il a été président de l'Académie des sciences pour la période 1993-1994.

 
Le plus petit film du monde
Sur une longueur de 1 millimètre on pourrait aligner 10 000 films de cette taille.

1997 © Astronoo.com − Astronomie, Astrophysique, Évolution et Écologie.
"Les données disponibles sur ce site peuvent être utilisées à condition que la source soit dûment mentionnée."