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Un '''atome''' (grec ancien : ατομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner [[Chimie|chimiquement]] avec une autre. Il est généralement constitué d'un [[Noyau atomique|noyau]] composé de [[proton]]s et de [[neutron]]s autour desquels se trouvent des [[électron]]s. Sa taille caractéristique est de l'ordre du dixième de nanomètre (nm), soit 10<sup>-10</sup> m.

La théorie atomiste, qui soutenait l'idée d'une matière composée de "grains" indivisibles (contre l'idée d'une matière indéfiniment sécable), est connue depuis l'antiquité, et fut en particulier défendue par [[Démocrite d'Abdère|Démocrite]], philosophe de la [[Grèce antique]]. Elle fut disputée jusqu'au début du XXe siècle, mais n'est plus aujourd'hui l'objet de la moindre controverse. C'est en particulier sur cette notion d'atome que reposent toutes les sciences de la matière. L'atome n'est plus considéré comme un grain de matière insécable, puisqu'il est de pratique courante de l'ioniser, en lui arrachant des électrons, et que les ions sont courants dans toutes les eaux, dont l'eau de mer. De plus depuis les expériences de [[physique nucléaire]] ayant mis à jour sa structure au début du XXe siècle, le noyau d'atome non plus n'est plus considéré comme insécable.

En chimie, les atomes sont les éléments de base. Ils constituent la matière et forment les molécules en partageant des [[électron]]s. Les atomes restent, grosso modo, indivisibles au cours d'une [[réaction chimique]] (en acceptant les légères exceptions que constituent les échanges des électrons périphériques).

Cependant, depuis le début du XXe siècle, des expériences de [[physique nucléaire]] ont mis en évidence l'existence d'une structure complexe pour le [[noyau atomique]]. Les constituants de l'atome que sont des [[particule élémentaire|particules élémentaires]].
[[Image:Helium atom QM|400px|thumb|right|Un atome d'[[Hélium]], avec en rose le [[Noyau atomique]] et autour le [[Nuage électronique]]]]

== Caractéristiques de l'atome ==
La majeure partie de la [[masse]] de l'atome se trouve concentrée dans un très faible volume (dimension de l'ordre de 10<sup>-15</sup> m) : le [[noyau atomique|noyau]], composé de deux sortes de particules semblables, appelées [[nucléon]]s :
* les [[neutron]]s, particules de [[charge électrique]] nulle, et de masse égale à :
:::''m<sub>n</sub>'' = 1,67495 <small>[[notation scientifique|×]]</small>10<sup>-27</sup> [[kilogramme|kg]] ;
* les [[proton]]s, particules de charge électrique positive égale à :
:::''q=-e'' = 1,602 173 <small>×</small>10<sup>-19</sup> [[coulomb|C]],
:et de masse égale à :
:::''m<sub>p</sub>'' = 1,67265 <small>×</small>10<sup>-27</sup> kg.
La masse du proton étant très proche de celle du neutron, il est pratique de caractériser un noyau par son nombre de nucléons, appelé ''nombre de masse''. 

Autour du noyau se trouve « un nuage » de particules identiques : les [[électron]]s ; les dimensions de ce ''nuage électronique'' (de l'ordre d'un [[angström]], ou 10<sup>-10</sup> m) correspondent à celles de l'atome. 

Les électrons possèdent une charge électrique négative égale à :
:::''e'' = -1,602 173 <small>×</small>10<sup>-19</sup> C,
identique à celle du proton en valeur absolue ; leur masse est bien plus faible que celles des nucléons (1836 fois moindre) :
:::''m<sub>e</sub>'' = 9,109 53 <small>×</small>10<sup>-31</sup> kg.

La charge électrique d'un atome est neutre, car le nombre d'[[électron]]s (chargés négativement) du ''nuage électronique'' est égal au nombre de [[proton]]s (chargés positivement) constituant le [[noyau atomique|noyau]]. Ainsi, les charges électriques s'annulent d'un point de vue macroscopique.

Les atomes sont susceptibles de se charger électriquement en gagnant ou en perdant un ou plusieurs électrons : on parle alors d'[[ion]]s. Du fait qu'un électron a une charge électrique négative, si un atome gagne un ou plusieurs électrons, la charge de l'atome devient négative ([[anion]]), et s'il en perd, la charge de l'atome devient positive ([[cation]]).

Les propriétés physiques et chimiques des atomes dépendent essentiellement du nombre de [[proton]]s qui composent leur noyau. Aussi, les atomes sont-ils classés suivant ce nombre, appelé [[numéro atomique]].

La matière constituée d'un ensemble quelconque d'atomes de même nombre atomique est un corps simple, ou [[élément chimique]].
Les atomes ayant un même nombre atomique, mais des nombres de masse différents (nombre de neutrons différent), sont appelés [[isotope]]s.

Les différents éléments chimiques artificiels ou naturels ont été ordonnés en fonction de leurs propriétés dans le [[tableau périodique des éléments]].

== Histoire de l'atome ==
Frise chronologique de la physique microscopique

Le concept d'atome est particulièrement bien admis par le grand public, pourtant, paradoxalement, les atomes ne peuvent pas être observés par des moyens optiques et seuls quelques rares physiciens manipulent des atomes isolés. L'atome est donc un modèle essentiellement théorique. Bien que ce modèle ne soit plus aujourd'hui remis en cause, il a beaucoup évolué au cours du temps pour répondre aux exigences des nouvelles théories physiques et correspondre avec les différentes expérimentations effectuées. 

=== Antiquité : un concept philosophique et intuitif ===

Il est probable que plusieurs peuples aient développé la notion de «grain composant la matière», tant ce concept semble évident lorsque l'on morcelle une motte de terre, ou en regardant une dune de sable.
Dans la culture européenne, ce concept apparaît pour la première fois dans la Grèce antique au Ve siècle av. J.-C., chez les philosophes présocratiques, notamment Leucippe, env. (460-370) av. J.-C., Démocrite d'Abdère et, plus tard, Épicure. 

Il s'agit d'une conception, ''a priori'' du monde, qui fait partie de la recherche des principes de la réalité, recherche qui caractérise les premiers [[philosophe]]s : on suppose que la matière ne peut se diviser indéfiniment, qu'il y a donc une conservation des éléments du monde, qui se transforment ou se combinent selon des processus variés. La décomposition du monde en quatre [[Quatre éléments|élément]]s ([[eau]], [[air]], [[terre]], [[feu (combustion)|feu]]) peut donc compléter cette thèse. L'[[atomisme]] est une solution concurrente, qui naît de l'opposition de l'être et du néant : l'atome est une parcelle d'être qui se conserve éternellement, sans quoi, les choses finiraient par disparaître. Ce fut, sans doute, un tournant philosophique majeur, à l'origine du [[matérialisme]] et de la critique de la [[religion]]. Cependant, même si l'[[empirisme]] [[épicure|épicurien]] tente d'établir cette hypothèse sur des bases [[science|scientifiques]], l'atome demeure une intuition sans confirmations.

=== La chimie du XVIIIe siècle — les éléments ===

Depuis des millénaires, on a remarqué que les produits se transforment : le [[feu]], la [[métallurgie]] (transformation du [[minerai]] en [[métal]]), la [[corrosion]] (dégradation du métal), la [[vie]], la [[cuisson]] des aliments, la [[biodégradation|décomposition]] de la [[matière organique]]… Par exemple, pour [[Empédocle]], les transformations de la [[matière]] s'expliquaient de la manière suivante : il y avait quatre types d'éléments (eau, air, terre, feu) qui s'associaient et se dissociaient, en fonction de l'amour ou de la haine qu'ils se portaient — les fameux « atomes crochus ». Au Moyen Âge, les [[alchimiste]]s ont étudié ces transformations et remarqué qu'elles suivent des règles bien précises.
Vers 1760, des chimistes [[Grande-Bretagne|britanniques]] commencent à s'intéresser aux gaz produits par les réactions, afin d'en mesurer le volume et de les peser. Ainsi, [[Joseph Black]], [[Henry Cavendish]] et [[Joseph Priestley]] découvrent différents « airs » (c'est-à-dire gaz) : l'« air fixe » (le [[dioxyde de carbone|gaz carbonique]]), l'« air inflammable » (le [[dihydrogène]]), l'« air phlogistiqué » (le [[diazote]]), l'« air déphlogistiqué » (le [[dioxygène]])… (Le terme « [[phlogistique]] » provient de la théorie du chimiste allemand [[Georg Ernst Stahl]], au début du XVIIIe siècle, pour expliquer la combustion ; cette théorie fut balayée par [[Antoine Lavoisier|Lavoisier]].)

[[Antoine Lavoisier|Antoine Laurent de Lavoisier]] (chimiste français) énonce en 1773 que "Cette notion avait déjà été énoncée dans l'Antiquité, par [[Anaxagore|Anaxagore de Clazomène]], et elle fut acceptée par un grand nombre de philosophes ([[épicure|épicuriens]], [[stoïcisme|stoïciens]], etc.) ; ce principe se fondait sur les observations possibles pour l'époque et fut élaborée selon une démarche scientifique. : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme" (formulé d'une manière légèrement différente à l'époque) signifiant par là que :
* la masse se conserve pendant les réactions chimiques." <br />Les scientifiques avaient observé que si l'on pesait la matière solide avant et après la combustion, on avait une variation de masse ; ceci provient d'un échange avec l'air (l'oxygène s'incorpore et alourdit, le gaz carbonique et la vapeur d'eau s'en vont et allègent). Il suffit pour s'en rendre compte de faire brûler dans une cloche fermée, et de peser la cloche en entier, somme solide et gaz (compris) : la masse totale ne change pas. ;
* les substances se décomposent en « éléments », c'est l'organisation de ces éléments qui change lors d'une réaction. 

Cette notion marque la véritable naissance de la [[chimie]]. Les chimistes ont donc commencé à recenser les éléments dont sont composées toutes les substances et à créer une nomenclature systématique — oxygène : qui génère des acides (οξυs signifie « acide » en grec) — hydrogène : qui génère de l'eau… Par exemple, en 1774, Lavoisier, en suivant les travaux des chimistes britanniques, établit que l'air se compose en « air vital » (dioxygène) et en « air vicié et méphitique, mofette » (diazote) ; en 1785, il décompose l'eau (en faisant passer de la vapeur d'eau sur du fer chauffé au rouge) et montre donc que ce n'est pas un élément, mais que l'eau est décomposable en éléments (c'est en fait une [[pyrolyse]]).
Le terme d'« analyse » provient d'ailleurs de cette notion de décomposition, ''[[lusis]]'' (λυσιs) signifie « dissolution » en grec : on décompose les produits (par attaque acide, en les brûlant, en les distillant...) jusqu'à obtenir des substances simples reconnaissables facilement (l'hydrogène, l'oxygène, le carbone, le fer...). 

On a donc la première constatation expérimentale de la décomposition de la matière en substances élémentaires.

=== La physique du XVIIIe siècle — les particules ===

Un autre pas, fait en parallèle, vient de l'étude des propriétés des gaz et de la chaleur ([[thermodynamique]]).

Les [[fluide]]s (liquides et gaz) sont étudiés en Europe depuis l'Antiquité, mais c'est au milieu du XVIIe siècle que l'on commence vraiment à cerner leur propriétés, avec l'invention du [[thermomètre]] (thermoscope de [[Santorre Santario]], (1612), du baromètre et du vide pompé ([[Evangelista Torricelli]], 1643), l'étude de l'expansion des gaz ([[Gilles Personne de Roberval]], 1647), la [[pression atmosphérique]] ([[Blaise Pascal]] et [[Florin Perrier]], 1648), les relations entre pression et volume ([[Robert Boyle]] en 1660, [[Edmé Mariotte]] en 1685), la notion de [[zéro absolu]] ([[Guillaume Amontons]], 1702)...

[[René Descartes]] (mathématicien, physicien et philosophe français) émet l'idée, en 1644, que les gaz sont composés de particules tourbillonnantes. Mais il ne s'agit là encore que d'une conception imagée, sans appui expérimental ; dans le même ordre d'idées, Descartes pensait que c'était aussi un tourbillon de « matière subtile » qui entraînait la rotation des planètes (ceci fut mis en défaut par [[Isaac Newton]] avec l'[[loi universelle de la gravitation|attraction universelle]] en 1687). 

Cependant, cette notion de corpuscules inspira d'autres scientifiques. Les mathématiciens suisses [[Jakob Hermann]] (1716) et [[Leonhard Euler]] (1729), mais surtout le physicien suisse [[Daniel Bernoulli]] ([1733), effectuent des calculs en supposant que les gaz sont formés de particules s'entrechoquant, et leurs résultats sont en accord avec l'expérience. C'est la conception « cinétique » des gaz, c'est-à-dire l'explication de la température et de la pression par des particules en mouvement.

Une autre science se développe à la fin du XVIIIe siècle : la [[cristallographie]]. Ce qui intrigue les scientifiques, c'est l'observation des formes géométriques des cristaux naturels, et leur capacité à se cliver selon des plans lisses respectant ces symétries. Reprenant l'idée de classification des êtres vivants de [[Carl von Linné]], on commence à rechercher et classer les minéraux ([[Jean-Baptiste Romé de L'Isle]], minéralogiste français, 1772). L'abbé [[René-Just Haüy]] (cristallographe français), en 1781, suppose que la forme des cristaux reflète la symétrie d'une « brique élémentaire », le cristal étant un assemblage de ces briques. On retrouve ici cette notion de composant élémentaire de la matière.

=== XIXe siècle — le triomphe progressif de l'atome ===

À ce stade, ressortaient trois notions :
* les corps chimiques sont décomposables en substances élémentaires ;
* les gaz sont composés de corpuscules qui volent et s'entrechoquent ;
* les cristaux sont composés de cellules dont la forme détermine la forme extérieure du cristal.
Ces notions ont en commun le fait que la matière homogène est composée de corpuscules tous semblables entre eux, mais trop petits pour être visibles. Les découvertes du XIXe siècle siècle vont permettre de faire converger ces trois notions, et d'établir les notions de molécule et d'atome.

[[John Dalton]] (chimiste et physicien britannique), en 1804, mesure les masses des réactifs et des produits de réaction, et en déduit que les substances sont composées d'atomes sphériques, identiques pour un élément, mais différents d'un élément à l'autre, notamment par la masse de ces atomes. Il découvre également la notion de [[pression partielle]] (dans un mélange de gaz, la contribution d'un gaz donné à la pression totale). Il fut le premier à émettre les idées de la [[théorie atomique]].

En 1807, [[Louis Joseph Gay-Lussac]] (physicien et chimiste français), établit la loi reliant la température et la pression d'un gaz. En 1808, il établit que les gaz réagissent en proportions déterminées ; les rapports des volumes des réactifs et des produits de réaction sont des nombres entiers petits. Le fait que ce soit des nombres entiers, a induit fortement à penser que la matière n'est pas « continue » (pensée dominante à cette époque), mais faite d'éléments discontinus.

[[Amedeo Avogadro]] (physicien italien), en 1811, énonce, sans preuve, que pour une température et une pression fixées, un volume donné de gaz contient toujours le même nombre de molécules, et ce quel que soit le gaz. Il fait également l'hypothèse que les gaz sont polyatomiques, et définit nettement molécules et atomes. [[André-Marie Ampère]] (1814), [[Jean-Baptiste Dumas]] (1827) et [[William Prout]] (1834) arrivent à la même conclusion.

En 1821, [[John Herapath]] (mathématicien britannique) publie une théorie cinétique des gaz pour expliquer la propagation des sons, les changements de phase ([[vaporisation]], [[liquéfaction]]) et la diffusion des gaz.
[[Robert Brown (botaniste)|Robert Brown]] (botaniste britannique), en 1827, observe le mouvement de grains de pollen dans l'eau ; les grains vont en ligne droite, et ne changent de direction que lors d'un choc avec un autre grain ou bien contre une paroi. C'est de ce comportement, le « [[mouvement brownien]] », que s'inspireront les physiciens pour décrire le mouvement des molécules de gaz.

[[Gabriel Delafosse]], en 1840, suppose que l'on peut dissocier la composante élémentaire du cristal et son organisation ; ainsi, la brique élémentaire de Haüy pourrait être un réseau aux nœuds duquel se trouveraient des « molécules » ; ce serait la forme du réseau qui donnerait la forme au cristal et non pas nécessairement la forme des molécules. [[Louis Pasteur]] (chimiste et biologiste français), en 1847, établit le lien entre la forme des molécules et la forme des cristaux (en fait, la molécule donne sa forme au réseau, et le réseau sa forme au cristal). [[Auguste Bravais]] (physicien français), en 1849, détermine les 32 réseaux cristallins possibles.
En 1858, [[Rudolf Clausius]] (physicien allemand) définit le libre parcours moyen d'une molécule dans un gaz (distance moyenne parcourue entre deux chocs). Partant de là, en 1859, [[James Clerk Maxwell]] (physicien écossais) introduit la notion de dispersion statistique des vitesses des molécules dans la cinétique des gaz. Ceci permit à [[Ludwig Boltzmann]] (physicien autrichien), en 1858, d'estimer la taille des molécules et de définir la répartition statistique des vitesses dans un gaz.

[[Dimitri Mendeleïev|Dimitri Ivanovitch Mendeleïev]] (chimiste russe), en 1869, classe les atomes par masse croissante, et remarque qu'il y a une périodicité dans leurs propriétés chimiques. Il établit donc un [[tableau de classification périodique|tableau classant les éléments]] ; les trous dans ce tableau permirent de découvrir de nouveaux éléments.

=== Bilan ===

La notion d'atome et de molécule a donc permis le succès de la [[thermodynamique]] statistique, de la [[chimie]] et de la [[cristallographie]]. À cette notion, vont correspondre des modèles qui seront affinés au cours du développement de la physique et particulièrement précisés par les découvertes de la physique quantique durant le XXe siècle, et notamment :
* la découverte de l'électron ([[Joseph John Thomson]], 1887) ; 
* les expériences de déviation des particules alpha par la matière ([[Ernest Rutherford|Ernest Rutherford  of Nelson]], 1911) ;
* les expériences de diffraction des rayons X sur les cristaux ([[Max von Laue]], 1912).

== Historique des modèles de l'atome ==
Dans l'[[histoire des sciences]], plusieurs modèles de l'atome ont été développés, au fur et à mesure des découvertes des propriétés de la matière. Aujourd'hui encore, on utilise plusieurs modèles différents ; en effet, le modèle le plus récent est assez complexe, l'utilisation de modèles « anciens » ou partiellement faux, mais plus simples, facilite la compréhension, donc l'apprentissage et la réflexion.

Depuis l'antiquité grecque, on supposait que la matière pouvait se fractionner en petits morceaux jusqu'à obtenir des grains insécables, qu'elle était comme « de la poussière dans la lumière ». C'est avec l'expérience de [[Ernest Rutherford|Rutherford]] que l'on atteint enfin ce grain : les [[particule alpha|particules alpha]], en traversant la matière, voient leur trajectoire perturbée, ce qui va permettre enfin de savoir comment est organisée cette « poussière »...
<ul>
<li> 1675 : [[Jean Picard]] observe une luminescence verte en agitant un tube de baromètre ; on découvrira quelques siècles plus tard que cela est dû à l'électricité statique et aux vapeurs de mercure ;</li>
<li> 1854 : [[Geissler]] et [[Plücker]] découvrent les [[rayons cathodiques]], des rayons verts luminescents lorsque l'on établit une forte tension électrique dans une ampoule dont on a pompé l'air (faible pression de gaz) ; ils inventent ainsi la [[lampe à décharge]], qui éclaire maintenant nos supermarchés d'une lumière blanche, nos rues et nos stationnements d'une lumière orange (lampes au sodium) ;</li>
<li> 1897 : [[Joseph John Thomson|J. J. Thomson]] établit que ces rayons cathodiques sont constitués de particules chargées négativement arrachées à la matière, et découvre ainsi l'[[électron]] ; c'est la première décomposition de l'atome ;</li>
<li> 1900 : [[Max Planck]] montre la quantification des échanges d'énergie dans la matière (recherches sur le [[corps noir]]) ;</li>
<li> 1911 : [[expérience de Rutherford]] : il bombarde une feuille d'[[or]] par des particules alpha (des noyaux d'hélium, chargés positivement, obtenus par radioactivité) ; il en déduit que :
<ul><li>la plupart des particules vont en ligne droite, donc la matière est « surtout faite de trou » ; 
<li>mais certaines sont déviées et même rebroussent chemin, donc elles rencontrent des îlots très concentrés de matière chargée positivement (les + se repoussent entre eux). 
</ul>
Il en déduit son ''modèle atomique planétaire'' : l'atome est constitué d'un noyau positif très petit et d'électrons tournant autour ; ce modèle pose un gros problème : en tournant, les électrons devraient perdre de l'énergie par rayonnement, et donc s'écraser sur le noyau… (ex.: Capture K)</li>
<li> 1913 : [[Niels Bohr]] réunit les concepts de Planck et de Rutherford, et propose un ''modèle atomique quantique'', mais toujours planétaire : les orbites des électrons ont des rayons définis, il n'existe que quelques orbites « autorisées » ; ainsi, les échanges d'énergie quantifiés correspondent à des sauts entre les orbites définies, et lorsque l'électron est sur l'orbite la plus basse, il ne peut pas descendre en dessous et s'écraser (mais ce modèle n'explique pas pourquoi) ;</li>
<li> 1914 : l'[[expérience de Franck et Hertz]] valide le modèle de Bohr : ils bombardent de la vapeur de mercure avec des électrons ; l'énergie cinétique perdue par les électrons traversant les vapeurs est toujours la même ;</li>
<li> 1924 : [[Louis de Broglie]] postule que la relation de Planck reliant la fréquence d'un photon à son énergie, est valide aussi pour les particules avec masse, dans un cadre relativiste. D'où la fréquence intrinsèque :
''ν'' = mc²/h. Guidé par le formalisme hamiltonien, Broglie postule que le produit de la célérité de l'onde de phase par la vitesse de groupe vaut c². Toutefois Broglie sera loin de tirer toutes les conséquences de cette première idée.
</li>
<li> 1926 : [[Erwin Schrödinger|Schrödinger]] modélise l'électron comme une onde, l'électron dans l'atome n'est donc plus une boule mais un « nuage » qui entoure le noyau ; ce modèle, contrairement aux autres, est stable car l'électron ne perd pas d'énergie. De plus, Schrödinger donne le mécanisme d'émission de photon, par battement entre les fréquences brogliennes de l'état final et de l'état électronique initial dans le noyau. Sans hélas exploiter le fait que ce mécanisme est le même à l'absorption d'un photon par un atome, alors que Georg Kirchhoff avait établi dès 1861 cette parfaite réversibilité entre émission de raies lumineuses, et absorption en raies sombres.</li>
</ul>

=== Modèles obsolètes ===

Les modèles présentés dans cette section sont trop éloignés de la réalité pour pouvoir être utilisés. Ils ne sont présentés ici qu'à titre historique.

==== Le modèle de J.J. Thomson ou modèle du far aux pruneaux ''(plum-pudding)'' ====

[[Image:Plum pudding atom.svg|thumb|left|Le pudding de Thomson, la charge positive est répartie dans un tout petit volume qui est parsemée d'électrons]]

Avec la découverte de l'électron en 1897, on savait que la matière était composée de deux parties : une négative, les électrons, et une positive, le noyau. Dans le modèle imaginé alors par [[Joseph John Thomson]], les électrons, particules localisées, baignaient dans une « soupe » positive, à l'image des pruneaux dans le far breton (ou dans le ''plum-pudding'' pour les Britanniques ou encore comme des raisins dans un gâteau). Ce modèle fut invalidé en 1911 par l'expérience d'un de ses anciens étudiants, [[Ernest Rutherford]].

==== Le modèle planétaire de Rutherford====

L'expérience de Rutherford met en évidence que les charges positives ne sont pas « étalées » entre les électrons, mais sont concentrées en de petits points. Il bombarda une fine feuille d'or par un faisceau de [[Particule alpha|particules alpha]] (particules de charges électriques positives). Il observa que les particules étaient déviées faiblement, ce qui ne correspondait pas au résultat prévu par le modèle de Thomson, pour lequel, elles n'auraient pas dû la traverser. 

Rutherford imagine donc un modèle planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif autour duquel tournent des électrons négatifs. Entre le noyau - très petit par rapport à l'atome (environ 100 000 fois) - et ses électrons, un très grand [[vide]] existe.

Ce modèle fut très vite mis en défaut par les [[équations de Maxwell]] d'une part, qui prédisent que toute charge accélérée rayonne de l'énergie, et par les expériences montrant la quantification des niveaux d'énergie d'autre part.

=== Modèles approchés couramment employés ===
==== Le modèle des sphères dures ====

Le modèle le plus simple pour représenter un atome est une boule indéformable. Ce modèle est utilisé en première approche de la [[cristallographie]]. Une molécule peut se voir comme plusieurs boules accolées, un cristal comme des boules empilées. On utilise parfois une représentation « éclatée » : les atomes sont représentés comme des petites boules espacées, reliées par des traits, permettant de faire ressortir les directions privilégiées, les angles et de visualiser le nombre des liaisons.

[[Image:atome spheredure 3d.png|thumb|600px|center|modèle des sphères dures pour représenter l'atome ; représentation d'une molécule d'eau et d'un cristal cubique à faces centrées, compacte (gauche) et éclatée (à droite)]]

Ce modèle correspond bien à certaines propriétés de la matière, comme, par exemple, la difficulté de comprimer les liquides et les solides, ou bien le fait que les cristaux ont des faces bien lisses. En revanche, il ne permet pas d'expliquer d'autres propriétés, comme les formes des molécules : si les atomes n'ont pas de direction privilégiée, comment expliquer que les liaisons chimiques révèlent des angles bien définis ?

==== Le modèle de Bohr ====
[[Image:atome bohr.png|right|250px|thumb|Modèle de l'atome de Bohr : un modèle planétaire dans lequel les électrons ont des orbites définies|right]]

Un modèle fut développé par [[Niels Bohr]] en 1913 à partir des propriétés mises en évidence par [[Max Planck|Planck]] et [[Rutherford]]. Dans le modèle des sphères dures, l'atome est un objet entier, indécomposable. Or, on sait depuis le milieu du XIXe siècle que l'on peut en « arracher » des particules portant une charge électrique négative, les électrons.
Dans le modèle de Bohr, l'atome est composé d'un corpuscule lourd, le noyau chargé positivement, et de corpuscules légers, les électrons tournant autour, les rayons des orbites des électrons ne pouvant prendre que des valeurs bien précises. 

Le noyau est très compact, d'un diamètre d'environ 10<sup>-15</sup> à 10<sup>-14</sup> m, c'est-à-dire que le noyau est cent mille à un million de fois plus petit que l'atome ; il porte une charge électrique positive. C'est aussi la partie la plus lourde de l'atome, puisque le noyau représente au moins 99,95% de la masse de l'atome.
Dans le modèle de Bohr les électrons sont ponctuels, c'est-à-dire que leur rayon est admis quasi nul (tout du moins plus petit que ce que l'on peut estimer). Ils portent une charge négative. Pour des raisons de lisibilité, le schéma ci-dessous n'est donc pas à l'échelle, en ce qui concerne les dimensions du noyau et des électrons, ni aussi pour les rayons des différentes orbites (on notera ici que le nombre d'électrons sur les orbites n'est pas prédit par le modèle).

Cette vision permet de décrire plusieurs phénomènes [[spectrométrie|spectroscopiques]] fondamentaux, c'est-à-dire le fait que les atomes absorbent ou émettent seulement certaines longueurs d'onde (ou couleur) de lumière ou de rayons X. En effet, les électrons ne pouvant "''tourner que sur des orbites''" définies, le saut d'une "''orbite''" à une autre se fait en absorbant ou en émettant une quantité déterminée d'énergie (''quantum'').

Le modèle de Bohr, décomposant l'atome en deux parties, un noyau et un nuage d'électrons, est plus précis que le modèle des sphères dures, pour lequel la surface de la sphère correspond à l'orbite des électrons extérieurs. 

Cependant, il présente deux gros inconvénients des modèles planétaires : 

D'une part des électrons en orbite autour du noyau sont des charges accélérées, ils devraient rayonner de l'énergie,… et devraient donc venir s'écraser sur le noyau. 

D'autre part la symétrie de spire de ces orbites ne correspond pas aux symétries réelles des atomes, qui sont révélées par exemple par les règles de sélection des raies, en absorption comme en émission.

Le modèle n'explique pas non plus les formes des molécules.

== Le modèle actuel : modèle de Schrödinger ==

La naissance de la mécanique ondulatoire de [[Louis de Broglie]] 1924, généralisée par Erwin Schrödinger en [[1926]] amène à proposer un nouveau modèle, dont les aspects relativistes furent décrits par [[Paul Dirac]] en 1928 ; il permet d'expliquer la stabilité de l'atome et la description des termes spectroscopiques. 

Dans ce modèle, les électrons ne sont plus des billes localisées en orbite, mais délocalisés en nuages, qui dès que le numéro quantique principal n est supérieur à l'unité, sont chacun stratifiés en n couches distinctes, '''avec des phases alternées'''. Ce point de vue, révolutionnaire, heurtait les tenants d'une vision corpusculiste. Cependant la représentation que l'on pouvait se faire d'un électron — une petite bille ? — était inspirée par les formes observées dans le monde macroscopique, transposées sans preuves ni validation dans le monde ''microscopique''. Ce que l'on connaît de l'électron ne repose que sur des manifestations indirectes, et toutes macroscopiques : courant électrique, tube cathodique (télévision).

Suite à des bagarres de chiffonniers entre fondateurs, bagarres dont Erwin Schrödinger est le grand vaincu, depuis 1930 son modèle est présenté aux étudiants de façon systématiquement mensongère, pour en dissimuler le caractère intrinsèquement ondulatoire, et pour réintroduire en fraude les idéations corpusculaires. La densité électronique est obtenue en faisant le carré hermitien de l'amplitude de l'onde stationnaire. La fraude standardisée consiste à remplacer cette densité tout court par « ''densité de probabilité de présence'' » du mystérieux corpuscule farfadique. Et les phases et frontières de phases de Schrödinger furent expédiées au ''Trou de mémoire''.

Dans le modèle de Schrödinger, les ''nuages'' correspondant aux différents électrons s'interpénètrent ; il n'est pas question de se donner une représentation individuelle des électrons chacun sur son orbite, comme cela était dans le cas du modèle de Bohr. Cela est d'autant plus vrai que les électrons sont des particules identiques ''indiscernables''. Les [[effets d'échange]] amènent à considérer que chaque électron de l'atome est à la fois sur chaque orbitale occupée (correspondant à une configuration électronique donnée).

Pour éviter des complications difficiles à manipuler, on considèrera l'atome le plus simple afin de montrer quelques schémas dévoilant les points fondamentaux du modèle :

* le nuage électronique associé à l'état fondamental, révélant (comme d'autres états) la possibilité pour l'électron d'être au sein du noyau, ce qui a des conséquences en [[physique nucléaire]] : capture électronique.

* le nuage électronique associé à une combinaison linéaire de deux orbitales associées au premier niveau excité. Cet exemple montre la possibilité d'obtenir des nuages électroniques pointant vers l'extérieur de l'atome… nous sommes ainsi préparés aux [[liaison chimique|liaisons moléculaires]].

Soit ρ(''r'',θ,φ) la densité au point de [[coordonnées sphériques]] (''r'',θ,φ). Pour l'état fondamental, la densité ρ, est maximale au centre de l'atome. Considérons maintenant la densité ''radiale'' (à la distance ''r'' du noyau, toutes les directions confondues) :
:<math>P(r) = 4\pi r^2 \cdot \rho(r,0,0)</math>,
cette densité radiale est maximale pour  ''r'' = ''r''<sub>1</sub> de la première orbite du modèle de Bohr (dans l'expression ci-dessus, on a tenu compte de la symétrie sphérique de ρ, identique pour toutes les directions). on a en fait :
:ρ(0,0,0) > ρ(''r''<sub>1</sub>,0,0), mais ''P''(0) < ''P''(''r''<sub>1</sub>).

[[Image:Hetat1s.jpg|thumb|center|Densité de présence spatiale de l'électron, état fondamental de l'hydrogène — la densité, dans un plan xy, section droite passant par le centre de l'atome, est indiquée par des niveaux de gris (elle est maximale au centre). La courbe en superposition (axe 0r) donne la densité radiale en fonction de la distance ''r'' : elle est maximale pour le premier rayon de Bohr (0,0529 nm).|300px]]

En fonction de l'état quantique de l'électron (fondamental, [[Niveau excité|excité]] …) ces nuages peuvent prendre différentes formes, qui sont décrites en particulier par les [[harmonique sphérique|harmoniques sphériques]]. La forme la plus simple est la symétrie sphérique, montrée en particulier, ci-dessus, dans le cas de l'état fondamental, |1s>. 

[[Image:Hydro2spz.png|250px|right]]

Des combinaisons linéaires de fonctions d'onde, utilisant des harmoniques sphériques distinctes, permettent l'apparition d'une anisotropie qui va devenir essentielle pour le passage de la notion d'atome à celle de [[molécule]]. Le schéma ci-contre montre une coupe de la densité de de l'orbitale hybride |<math>2sp_{z}</math> > de l'atome d'hydrogène, coupe contenant ''Oz'' axe de symétrie de l'orbitale atomique. Pour cet exemple, l'axe ''Oz'' devient une direction privilégiée, mais de plus la densité s'étale plus loin pour une orientation donnée.

Ce modèle permet d'expliquer :
* la stabilité de l'atome, les charges seraient accélérées si elles étaient corpusculaires, mais elles ne le sont pas, et elles sont contraintes par la mécanique quantique ([[principe d'incertitude|relations d'incertitude]]) ; 
* la forme des molécules : orientation préférentielle des nuages électroniques ;
* l'organisation des cristaux : le nuage électronique se comporte comme une coquille élastiquement raide ;
* les effets spectroscopiques (la quantification des échanges d'énergie) : le nuage ne peut prendre que des formes déterminées, notamment en ce qui concerne la distance ''r''<sub>1</sub> du maximum de densité au noyau.

On notera pour terminer que des [[relativité restreinte|corrections relativistes]] sont à apporter, dans le cas des atomes de numéro atomique élevé, pour la détermination des niveaux internes (les vitesses des électrons sur les orbites du modèle de Bohr sont alors importantes).

== Le noyau atomique ==

Si la mécanique quantique permit d'expliquer rapidement les caractéristiques spectroscopiques des atomes et des molécules, le cœur de l'atome, son [[noyau atomique|noyau]], fut plus difficile à comprendre. Les difficultés sont ici de deux ordres : l'une correspondant à l'importance de l'énergie des particules sondes permettant d'atteindre les dimensions de l'ordre du fermi, l'autre à la nécessaire invention d'au moins une interaction supplémentaire permettant la stabilité d'un noyau constitué de protons (qui se repoussent électriquement) et de neutrons.

Cette compréhension de  la cohésion du noyau devait aussi expliquer les phénomènes de [[Désintégration alpha|radioactivité alpha]], [[Désintégration bêta|bêta]] et [[Rayon gamma|gamma]], dont les premières observations dataient de la dernière décennie du XIXe siècle.

La décennie qui précéda la Seconde Guerre mondiale mena à la découverte des deux interactions maîtresses de la stabilité du cœur : l'[[interaction forte]] et l'[[interaction faible]]. La petitesse de la portée de ces deux interactions, respectivement 10<sup>-15</sup> m et 10<sup>-18</sup> m explique les difficultés expérimentales rencontrées. Les difficultés théoriques ne manquent pas, non plus ; il ne s'agit pas de lois physiques aussi ''simples'' que celles de l'[[électromagnétisme]], même compliquées par la [[électrodynamique quantique|mécanique quantique]], mais de la compréhension de toutes les particules élémentaires… L'invention des [[quark]]s et des [[gluon]]s donne ainsi la vision actuelle de l'interaction qui maintient ensemble les nucléons.

Cette physique nucléaire mène aussi à l'explication de la nucléosynthèse, expliquant les aspects nucléaires [[tableau périodique des éléments|tableau de Mendeleïev]]. On se retrouve là dans le foisonnement de la ''naissance'' de l'univers et de la dynamique des étoiles.

== Notation ==

Un atome est couramment désigné par son symbole chimique, complété par son nombre de masse  A (égal au nombre de [[nucléon]]s de l'atome) placé en haut et à gauche du symbole.

Exemple: le [[carbone]] 12 de nombre de masse 12 est noté <math>{}^{12}\mathrm C\,</math>.

Il est d'usage de compléter cette écriture par le [[numéro atomique]] Z , placé en bas et à gauche du symbole, pour décrire une réaction nucléaire dans laquelle intervient un isotope.

Le carbone 12 est ainsi noté <math>{}^{12}_{\ 6}\mathrm C\,</math>.

Ainsi, le carbone 14 <math>{}^{14}_{\ 6}\mathrm C\,</math> et le carbone 12 <math>{}^{12}_{\ 6}\mathrm C\,</math> sont deux [[isotopes]].

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===

* [[Nucléosynthèse]]
* [[Réaction chimique]]
* [[Réaction nucléaire]]
* [[Règle de l'octet]]
* [[Règle du duet]]
* [[Orbitale atomique]]
* [[Atome d'hydrogène]]
* [[Raie à 21 centimètres]]

=== Bibliographie ===

* ''Physics of the atom'' par M. Russell Wehr et James A. Richards, Jr., chez Addison-Wesley Pubishing Company.

=== Liens externes ===

*  [http://history.hyperjeff.net/statmech_slim.html Sketching of History of Statistical Mechanics and Thermodynamics]