Voir la source de Atome

{{Voir homonymes|Atome (homonymie)}}
[[Fichier:Helium atom QM.svg|redresse=1.25|vignette|Représentation d'un atome d'{{nobr|[[hélium 4]]}} avec, apparaissant rosé au centre, le [[noyau atomique]] et, en dégradé de gris tout autour, le [[Électron|nuage électronique]]. Le noyau d'{{nobr|hélium 4}}, agrandi à droite, est formé de deux [[proton]]s et de deux [[neutron]]s.]]
[[Fichier:Graphite ambient STM.jpg|redresse=1.25|vignette|Atomes de [[carbone]] à la surface de [[graphite]] observés par [[microscope à effet tunnel]].]]

Un '''atome''' {{étymologie|grec ancien|ἄτομος|rom=átomos|insécable}}<ref>{{CNRTL|atome}}.</ref> est la plus petite partie d'un [[corps simple]] pouvant se combiner [[Chimie|chimiquement]] avec un autre. Les atomes sont les constituants élémentaires de toutes les substances solides, [[liquide]]s ou gazeuses. Les propriétés [[physique]]s et [[Chimie|chimiques]] de ces substances sont déterminées par les atomes qui les constituent ainsi que par l'arrangement tridimensionnel de ces atomes.

Contrairement à ce que leur étymologie suggère, les atomes ne sont pas indivisibles, mais sont constitués de [[Particule subatomique|particules subatomiques]]<ref>{{Lien web|langue=fr|titre=Atome|url=http://larousse.fr/encyclopedie/divers/atome/23753|site=Encyclopédie Larousse en ligne|consulté le=2018-02-07}}.</ref>. Ils comprennent un [[Noyau atomique|noyau]], qui concentre plus de 99,9 % de leur masse, autour duquel se distribuent des [[électron]]s, qui forment un [[Nuage électronique|nuage]] {{formatnum:10000}} à {{nombre|100000|fois}} plus étendu que le noyau lui-même<ref>
{{lien web
 | langue      = de
 | url         = http://www.tomchemie.de/Atombau1.htm
 | site        = Tomchemie
 | titre       = Atombau
 | consulté le = 8 avril 2017
}}.</ref>{{,}}<ref>
{{lien web
 | langue      = en
 | url         = http://www.pstcc.edu/departments/natural_behavioral_sciences/Web%20Physics/Chapter30.htm
 | titre       = Atomic Physics
 | site        = Pellissippi State Community College
 | consulté le = 8 avril 2017
}}.</ref>, de sorte que le volume d'un atome, grossièrement sphérique, est presque entièrement vide. Le noyau est formé de [[proton]]s, porteurs d'une [[charge électrique]] positive, et de [[neutron]]s, électriquement neutres ; l'[[hydrogène]] fait exception, car le noyau de son [[protium|isotope {{exp|1}}H]] ne contient aucun neutron. Les protons et neutrons, également appelés [[nucléon]]s, sont maintenus ensemble dans le noyau par la [[liaison nucléaire]], qui est une manifestation de l'[[interaction forte]]. Les électrons occupent des [[Orbitale atomique|orbitales atomiques]] en interaction avec le noyau ''via'' la [[Électromagnétisme|force électromagnétique]]. Le nuage électronique est stratifié en niveaux d'énergie [[Mécanique quantique|quantifiés]] autour du noyau, niveaux qui définissent des [[Couche électronique|couches]] et des [[Sous-couche électronique|sous-couches électroniques]] ; les nucléons se distribuent également selon des [[Modèle en couches|couches nucléaires]], bien qu'un modèle approché assez commode popularise la [[structure nucléaire]] d'après le [[modèle de la goutte liquide]].

Plusieurs atomes peuvent établir des [[Liaison chimique|liaisons chimiques]] entre eux grâce à leurs [[électron]]s. 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]]. {{unité|118|éléments}} chimiques sont reconnus par l'[[Union internationale de chimie pure et appliquée]] (IUPAC) depuis le {{date-|18 novembre 2016}}. Les atomes d'éléments différents ont des tailles différentes, ainsi généralement que des masses différentes, bien que les atomes d'un élément chimique donné puissent avoir des masses différentes selon les [[isotope]]s considérés. Les atomes les plus lourds, ou dont le noyau présente un déséquilibre trop important entre les deux types de nucléons, tendent à devenir plus instables, et sont alors [[Radioactivité|radioactifs]] ; le {{nobr|[[plomb 208]]}} est l'[[isotope stable]] le plus lourd.

La [[Atomisme|théorie atomiste]], qui soutient l'idée d'une matière composée de « grains » indivisibles (contre l'idée d'une matière indéfiniment sécable), est connue depuis l'[[Antiquité]], et a été notamment défendue par [[Leucippe]] et son disciple [[Démocrite]], philosophes de la [[Grèce antique]], ainsi qu'en [[Inde]], plus antérieurement, par l'une des six écoles de philosophie [[hindouisme|hindoue]], le [[vaisheshika]], fondé par [[Kanada]]. Elle fut disputée jusqu'à la fin du {{s-|XIX}} et n'a plus été remise en cause depuis lors. L'observation directe d'atomes n'est devenue possible qu'au milieu du {{s-|XX}} avec la [[microscopie électronique en transmission]] et l'invention du [[microscope à effet tunnel]]. C'est ainsi sur les propriétés des atomes que reposent toutes les [[Science des matériaux|sciences des matériaux]] modernes, tandis que l'élucidation de la nature et de la structure des atomes a contribué de manière décisive au développement de la [[physique]] moderne, et notamment de la [[mécanique quantique]].

[[Fichier:HAtomOrbitals.png|redresse=1.25|vignette|Sections transversales des premières [[orbitale atomique|orbitales]] de l'[[atome d'hydrogène]], le dégradé de couleurs représentant l'[[amplitude de probabilité]] de l'[[électron]].]]

== Structure ==

=== Ordres de grandeur ===

{{Article connexe|Électron-volt|Unité de masse atomique unifiée|Nombre d'Avogadro}}

Le diamètre estimé d'un atome « libre » (hors [[liaison covalente]] ou cristalline) est compris entre {{unité|62|[[Picomètre|pm]]}} ({{unité|6.2e-11|m}}) pour l'[[hélium]] et {{unité|596|[[Picomètre|pm]]}} ({{unité|5.96e-10|m}}) pour le [[césium]]<ref>
{{Article|langue=en|prénom1=E.|nom1=Clementi|prénom2=D. L.|nom2=Raimondi|prénom3=W. P.|nom3=Reinhardt|titre=Atomic Screening Constants from SCF Functions. II. Atoms with 37 to 86 Electrons|périodique=The Journal of Chemical Physics|volume=47|numéro=4|date=1967-08-15|issn=0021-9606|issn2=1089-7690|doi=10.1063/1.1712084|lire en ligne=http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1712084|consulté le=2023-03-10|pages=1300–1307}}</ref>, tandis que celui d'un [[noyau atomique]] est compris entre {{unité|2.4|[[Femtomètre|fm]]}} ({{unité|2.4e-15|m}}) pour l'[[isotope]] [[Protium|{{exp|1}}H]] et {{unité|14.8|[[Femtomètre|fm]]}} ({{unité|1.48e-14|m}}) environ pour le [[nucléide]] [[Uranium 238|{{exp|238}}U]]<ref>
{{lien web
 |langue = en
 |url   = http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/nucuni.html#c4
 |titre = Nuclear Size and Density
}}.</ref> : le [[Noyau atomique|noyau]] d'un [[atome d'hydrogène]] est donc environ {{nombre|40000|fois}} plus petit que l'atome d'hydrogène lui-même.

Le noyau concentre cependant l'essentiel de la masse de l'atome{{Note|group=alpha|texte=Un [[proton]], par exemple, est {{nombre|1836|fois}} plus massif qu'un [[électron]].}} : le noyau du [[Lithium|lithium 7]], par exemple, est environ {{nombre|4300|fois}} plus massif que les trois électrons qui l'entourent, l'atome de {{7}}Li ayant une masse de l'ordre de {{unité|1.172e−26|kg}}. Pour fixer les idées, la masse des atomes est comprise entre {{unité|1.674e-27|kg}} pour le [[protium]] et {{unité|3.953e-25|kg}} pour {{nobr|l'[[uranium 238]]}}, en s'en tenant aux [[isotope]]s qui ont une abondance significative dans le milieu naturel — il existe des noyaux plus lourds mais aussi bien plus instables que le [[nucléide]] {{exp|238}}U.

Cette masse est généralement exprimée en [[Unité de masse atomique unifiée|unités de masse atomique]] (« uma », ou « u »), définie comme la douzième partie de la masse d'un atome de [[Carbone 12|{{12}}C]] non [[Liaison chimique|lié]], immobile et à son [[état fondamental]], soit {{nobr|1 uma {{=}} {{unité|1.66054e-27|kg}} ;}} dans cette unité, la masse du nucléide {{exp|238}}U vaut {{unité|238.0507826|uma}}. Une unité alternative également très employée en [[physique des particules]] est l'[[électron-volt]] divisé par le [[Carré (algèbre)|carré]] de la [[vitesse de la lumière]] (eV/c{{2}}), qui est [[Analyse dimensionnelle|homogène]] à une [[masse]] en vertu de la fameuse équation {{nobr|[[E=mc2|{{mvar|E}} = {{mvar|m}}{{math|c}}{{2}}]]}} de la [[relativité restreinte]], et qui vaut {{nobr|{{unité|1|eV}}/[[Vitesse de la lumière|c{{2}}]] {{=}} {{unité|1.783e-36|kg}}}} ; dans cette unité, la masse du noyau {{exp|238}}U est égale à {{unité|221.7|GeV}}/[[Vitesse de la lumière|c{{2}}]].

Compte tenu de leur taille et de leur masse singulièrement réduites, les atomes sont toujours en très grand nombre dès qu'on manipule une quantité macroscopique de matière. On définit ainsi la [[Mole (unité)|mole]] comme étant la [[quantité de matière]] constituée par autant d'unités élémentaires (atomes, [[molécule]]s, [[électron]]s{{etc.}}) qu'il y a d'atomes dans {{unité|12|g}} de {{nobr|[[carbone 12]]}}, soit pas moins de {{unité|6.022e23|unités}} élémentaires, ce qu'on appelle le [[nombre d'Avogadro]].

=== Particules subatomiques ===

{{Article détaillé|Particule subatomique|Physique des particules}}
{{Article connexe|Particule élémentaire|Théorie quantique des champs|Modèle standard de la physique des particules}}

Bien que son étymologie signifie « indivisible » en [[grec ancien]], un atome est en réalité constitué de [[Particule élémentaire|particules élémentaires]] plus petites, et peut donc être divisé ; mais il constitue bien la plus petite unité indivisible d'un [[élément chimique]] en tant que tel : en brisant, par exemple, un atome d'[[hélium]], on obtiendra des [[électron]]s, des [[proton]]s et des [[neutron]]s, mais on n'aura plus un [[corps simple]] ayant les propriétés de l'hélium.
* L'[[électron]] e{{exp|−}} est une particule très peu massive ({{unité|9.1094e−31|kg}}, soit {{unité|511.00|keV}}/[[Vitesse de la lumière|c{{2}}]]) et pourvue d'une [[charge électrique]] négative de {{unité|-1.602e−19|[[Coulomb|C]]}}.
* Le [[proton]] p{{exp|+}} est {{unité|1836|fois}} plus massif que l'électron ({{unité|1.6726e−27|kg}}, soit {{unité|938.27|MeV}}/[[Vitesse de la lumière|c{{2}}]]) et porte une charge électrique positive de même [[valeur absolue]] que celle de l'électron, soit {{unité|1.602e−19|[[Coulomb|C]]}}.
* Le [[neutron]] n{{exp|0}} est {{unité|1838.5|fois}} plus massif que l'électron ({{unité|1.6749e−27|kg}}, soit {{unité|939.57|MeV}}/[[Vitesse de la lumière|c{{2}}]]), et électriquement neutre.

Le [[modèle standard de la physique des particules]] décrit les [[nucléon]]s comme des [[baryon]]s composés de particules élémentaires appelées [[quark]]s :
* le [[proton]] est constitué de deux [[Quark up|quarks up]] et d'un [[quark down]] : {{nobr|1=p{{exp|+}} = uud}} ;
* le [[neutron]] est constitué d'un [[quark up]] et de deux [[Quark down|quarks down]] : {{nobr|1=n{{exp|0}} = udd}}.

Les [[électron]]s, quant à eux, sont des [[lepton]]s qui constituent, avec les [[quark]]s, le groupe des [[fermion]]s. La grande différence entre quarks et leptons est que seuls les premiers connaissent toutes les [[Interaction élémentaire|interactions élémentaires]], y compris l'[[interaction nucléaire forte]], dont les médiateurs sont des [[Boson de jauge|bosons de jauge]] appelés [[gluon]]s ; les leptons ne connaissent que l'[[interaction faible]] (''via'' les [[Boson Z|bosons Z{{exp|0}}]] et [[Boson W|W{{exp|+}}]]) et l'[[interaction électromagnétique]] (''via'' les [[photon]]s).

Toutes ces particules connaissent ''a priori'' également l'[[Gravité|interaction gravitationnelle]], mais cette dernière n'a pas pu être intégrée au [[modèle standard de la physique des particules]] ; son intensité à l'échelle atomique est, quoi qu'il en soit, insignifiante comparée à l'intensité des trois autres interactions.

=== Nuage électronique ===

[[Fichier:Potential energy well.svg|redresse=1.15|vignette|Représentation schématique d'un puits de potentiel. L'énergie {{mvar|V}}(&thinsp;{{mvar|x}}&thinsp;) requise pour occuper chaque [[abscisse]] {{mvar|x}} confine à l'intervalle [&thinsp;{{mvar|x}}{{ind|1}},&nbsp;{{mvar|x}}{{ind|2}}&thinsp;] toute particule pourvue de l'énergie {{mvar|E}} en [[ordonnée]].]]

{{Article détaillé|Configuration électronique}}

L'essentiel des propriétés physiques et chimiques des atomes est dû à leur nuage électronique. C'est la compréhension de la nature et de la structure de ce nuage électronique qui a ouvert la voie à la compréhension de la structure de l'atome et, ''in fine'', a conduit au développement de la [[physique des particules]].

Le [[noyau atomique]] étant [[Charge électrique|chargé]] positivement, il forme un [[puits de potentiel]] pour les [[électron]]s, qui sont chargés négativement. Ce puits de potentiel est constitué de [[Niveau d'énergie|niveaux d'énergie]] définis par des [[Nombre quantique|nombres quantiques]] dont la combinaison détermine des [[Orbitale atomique|orbitales atomiques]] conférant aux [[Fonction d'onde|fonctions d'onde]] correspondantes des dimensions et des formes caractéristiques.

==== Introduction au modèle de Schrödinger ====

{{Article détaillé|Atome d'hydrogène|Mécanique quantique|Équation de Schrödinger}}

L'[[électron]] manifeste, comme tout objet [[Physique quantique|quantique]], une [[dualité onde-corpuscule]], en vertu de laquelle il se comporte tantôt comme une [[Particule élémentaire|particule]] géométriquement délimitée occupant une position déterminée, tantôt comme une [[onde]] susceptible de présenter, par exemple, des phénomènes d'interférences. Ces deux aspects de l'électron coexistent dans l'atome, bien que le modèle de [[Erwin Schrödinger|Schrödinger]] soit exclusivement ondulatoire<ref name=Brucat>
{{Lien web
 | langue  = en
 | nom     = Brucat
 | prénom     = Philip J.
 | année     = 2008
 | url     = http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_10.html
 | titre     = The Quantum Atom
 | éditeur     = University of Florida
 | consulté le     = 4 janvier 2007
 }} {{Lien archive|url=http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_10.html |horodatage archive=20061207032136 |titre=Copie archivée}}.</ref> :

* un électron n'est jamais localisé à un endroit précis d'une trajectoire définie autour du noyau, mais distribué au sein d'une [[orbitale atomique]] avec une probabilité de présence égale au carré de la [[Norme (mathématiques)|norme]] de sa [[fonction d'onde]], laquelle est corrélée à son [[état quantique]], ainsi qu'avec une [[phase d'électron]] : c'est l'aspect ondulatoire ;
* cette distribution n'est pas statique, mais dynamique, en ce que l'électron est pourvu, au sein de son orbitale atomique stationnaire, d'une [[quantité de mouvement]] et d'un [[moment angulaire]] orbital : c'est l'aspect corpusculaire.

[[Fichier:AOs-3D-dots.png|redresse=1.33|vignette|Illustration d'[[Orbitale atomique|orbitales atomiques]].]]

Par conséquent, un électron ne peut pas « tomber sur le [[Noyau atomique|noyau]] » comme un objet tombe par terre, car cela signifierait que l'extension spatiale de sa fonction d'onde serait réduite à un point, ce qui n'est le cas d'aucune [[fonction propre]] de l'[[équation de Schrödinger]] : cette dernière impose, au contraire, qu'un électron, au voisinage du noyau, se « dilue » dans un volume (une [[Orbitale atomique|orbitale]]) à la géométrie déterminée par les [[Nombre quantique|nombres quantiques]] qui satisfont cette équation. On peut donc considérer qu'un électron dans un atome ''est déjà tombé sur le noyau'', dans la mesure où il est confiné dans son voisinage par le puits de potentiel électrostatique.

De surcroît, la fonction d'onde d'un électron n'est pas nulle à l'intérieur du noyau, bien que sa probabilité de s'y trouver soit faible, car le noyau est de taille très réduite comparée à celle des orbitales atomiques. Les fonctions d'ondes possibles pour les électrons d'un atome étant centrées sur le noyau, on peut donc dire que l'électron est en fait tombé ''dans le noyau'', bien qu'il ne s'y trouve que très rarement : du point de vue [[Physique quantique|quantique]], plusieurs particules peuvent en effet occuper le même espace en vertu de leur nature ondulatoire. Une façon imagée — mais approchée — de voir les choses est d'imaginer, par analogie, que la [[fonction d'onde]] de l'électron serait comme « [[Diffraction|diffractée]] » par le noyau atomique, ce qui lui donnerait différentes formes, selon son état quantique, par lesquelles la probabilité de présence de l'électron atteindrait son maximum en certaines zones plus ou moins éloignées du noyau — typiquement, plusieurs dizaines de milliers de fois le rayon nucléaire<ref>
{{lien web |langue=en |url=http://www.orbitals.com/orb/ |titre=Atomics orbitals |site=orbitals.com}}.</ref>.

==== Principe d'exclusion de Pauli ====

{{Article détaillé|Principe d'exclusion de Pauli}}

{| border="0" align="right"
|-
|
{| border="1" cellpadding="10" style="border-collapse:collapse"
|-
| <math>E \Psi(\mathbf{r}) = \frac{-\hbar^2}{2m}\nabla^2 \Psi(\mathbf{r}) + V(\mathbf{r}) \Psi(\mathbf{r})</math>
|}
|-
| align="center" | [[Équation de Schrödinger]] d'une [[onde stationnaire]]{{Note|groupe=alpha|où {{mvar|Ψ}} est la fonction d'onde, {{mvar|ħ}} la [[constante de Planck réduite]], {{mvar|m}} la masse de la particule, {{mvar|∇{{2}}}} l'[[opérateur laplacien]] et {{mvar|V}} l'[[énergie potentielle]] de la particule.}}.
|}

Chaque électron est décrit, dans un atome, par un quadruplet de [[Nombre quantique|nombres quantiques]] ({{mvar|n}}, {{mvar|ℓ}}, {{mvar|m{{ind|ℓ}}}}, {{mvar|m{{ind|s}}}}) satisfaisant l'[[équation de Schrödinger]] et appelés respectivement :
* [[nombre quantique principal]] {{mvar|n}}, définissant les [[Couche électronique|couches électroniques]] ;
* [[nombre quantique azimutal]] {{mvar|ℓ}}, définissant les [[Sous-couche électronique|sous-couches électroniques]] ;
* [[nombre quantique magnétique]] {{mvar|m{{ind|ℓ}}}}, définissant l'orientation spatiale de l'[[orbitale atomique]] ;
* [[nombre quantique magnétique de spin]] {{mvar|m{{ind|s}}}}, définissant l'orientation du [[moment angulaire]] intrinsèque de l'électron dans son orbitale.

Le [[principe d'exclusion de Pauli]] stipule que deux [[fermion]]s appartenant au même [[système]] de fermions (ici, au même atome) ne peuvent avoir tous leurs nombres quantiques égaux en même temps. Ce principe est fondamental car il est à l'origine de la [[configuration électronique]] des atomes : les électrons qui « s'empilent » dans l'atome doivent avoir chacun un [[état quantique]] distinct des autres, ce qui explique que toutes les orbitales atomiques sont progressivement occupées de la plus liée à la moins liée au noyau au fur et à mesure qu'on ajoute des électrons à l'atome ; c'est le principe d'''{{langue|en|Aufbau}}'' (« édification » en allemand) matérialisé par la [[règle de Klechkowski]] (appelée aussi ''règle de [[Erwin Madelung|Madelung]]''), qui sous-tend l'agencement du [[tableau périodique des éléments|tableau périodique]] des [[Élément chimique|éléments chimiques]] en [[Bloc du tableau périodique|blocs]] et en [[Période du tableau périodique|périodes]] :

{{Cases quantiques par sous-couches électroniques}}

==== Orbitales moléculaires ====

[[Fichier:Electron orbitals.svg|redresse=1.25|vignette|[[Orbitale atomique|Orbitales atomiques]] et [[Théorie de l'orbitale moléculaire|moléculaires]].]]

{{Article détaillé|Théorie de l'orbitale moléculaire}}

Sa [[Configuration électronique|structure électronique]] confère à l'atome ses propriétés [[Chimie|chimiques]] et [[Magnétisme|magnétiques]]. Ainsi, les [[Élément chimique|éléments chimiques]] sont communément classés dans un [[tableau périodique des éléments|tableau périodique]] organisé en fonction de leurs propriétés chimiques et dont l'agencement est en réalité déterminé par la distribution des électrons sur les niveaux d'énergie des atomes.

Le recouvrement de deux orbitales atomiques appartenant chacune à un atome distinct peut conduire à la formation d'une [[Théorie de l'orbitale moléculaire|orbitale moléculaire]] constituant une [[liaison chimique]] entre deux atomes ; si les orbitales atomiques en recouvrement appartiennent au même atome, on dit qu'il y a [[Hybridation (chimie)|hybridation]].

Une orbitale moléculaire est dite ''liante'' lorsque les [[Phase d'électron|phases d'électron]] des orbitales atomiques sont de même signe ([[interférence]] constructive) ; elle est dite [[Orbitale antiliante|''antiliante'']] lorsque les orbitales atomiques ont des phases de signe opposé (interférence destructive).
[[Fichier:Alpha-beta-gamma decay.png|alt=Image de la composition d'un noyau atomique|vignette|235x235px|composition d'un noyau atomique]]

=== Noyau atomique ===

{{Article détaillé|Noyau atomique}}
{{Article détaillé|Structure nucléaire|Modèle de la goutte liquide|Modèle en couches}}

[[Proton]]s et [[neutron]]s forment un [[noyau atomique]] de dimension [[Femtomètre|femtométrique]]. Le rayon nucléaire d'un atome dont le [[nombre de masse]] est ''A'' vaut environ <math>\begin{smallmatrix}1,2\sqrt[3]{A}\end{smallmatrix}</math>&nbsp;&nbsp;[[femtomètre|fm]], alors que l'atome lui-même a un rayon de l'ordre de la centaine de [[picomètre]]s (environ {{unité/2|35000|à=40000|fois}} plus grand). Les protons étant chargés positivement, ils se repoussent au sein du noyau, mais l'intensité de cette répulsion [[électrostatique]] est très inférieure à celle de l'attraction entre nucléons induite par l'[[interaction nucléaire forte]] à des distances inférieures à 2,5 [[Femtomètre|fm]].

La géométrie des noyaux atomiques est généralement sphérique, bien que certains noyaux stables suffisamment massifs adoptent également des formes [[sphéroïde]]s étirées en ballon de rugby ou, au contraire, aplaties. Certains noyaux instables, dits [[Noyau à halo|noyaux à halo]], sont caractérisés par un ou plusieurs nucléons aux fonctions d'ondes très distendues, qui donnent au noyau des contours flous et un volume apparent très augmenté ; ces noyaux ont une cohésion nucléaire à la limite extrême du champ d'action de l'[[interaction forte]].

Dans le [[modèle de la goutte liquide]], les protons tendent à se repousser les uns les autres et, par conséquent, à se concentrer vers l'extérieur des noyaux (aux « pôles » ou à l'« équateur » dans le cas de sphéroïdes), tandis que les neutrons tendent à s'accumuler au centre du noyau. Des dizaines de modèles ont été proposés afin d'expliquer les données expérimentales sur la nature et la structure des noyaux atomiques, mais aucun, à ce jour, ne suffit seul à rendre compte de l'ensemble des observations<ref>{{Google Livres|faBp90f5X_4C|page=56|Models of the atomic nucleus: with interactive software Par Norman D. Cook}}.</ref>.

Le volume nucléaire, estimé expérimentalement par des techniques de diffraction de faisceaux d'électrons, correspond à peu près à l'empilement de [[Sphères élastiques infiniment dures|sphères dures]] représentant les [[nucléon]]s, avec une densité nucléaire constante, ce qui se conceptualise très bien avec le modèle de la goutte liquide. Néanmoins, certaines propriétés quantiques de la [[structure nucléaire]] semblent mieux décrites par le [[modèle en couches]], élaboré par les physiciens allemands [[Maria Goeppert-Mayer]] et [[Hans Daniel Jensen]], qui ont obtenu le [[prix Nobel de physique]] en 1963 pour cette avancée. Leur modèle considère les [[nucléon]]s comme des [[fermion]]s soumis au [[principe d'exclusion de Pauli]] et répartis sur des [[Niveau d'énergie|niveaux d'énergie]] quantifiés — les « couches nucléaires » — de façon similaire aux électrons à l'échelle de l'atome. Dans le noyau, [[proton]]s et [[neutron]]s constituent deux populations de fermions distinctes vis-à-vis du principe d'exclusion de Pauli.

L'analogie avec les électrons a cependant ses limites, car, si les électrons interagissent entre eux et avec le noyau ''via'' l'[[Électromagnétisme|interaction électromagnétique]], les nucléons interagissent entre eux essentiellement ''via'' l'[[interaction nucléaire forte]] et l'[[interaction faible]]. Les niveaux d'énergie au sein du noyau ont ainsi une distribution différente de celle des niveaux d'énergie des électrons d'un atome. De plus, les phénomènes de [[couplage spin-orbite]] sont bien plus sensibles pour les nucléons que pour les électrons, ce qui redistribue les sous-couches nucléaires en fonction du [[spin]] (indiqué en indice dans le tableau ci-dessous)<ref name="Couches">
[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/shell.html#c1 Hyperphysics – Shell Model of Nucleus] Description du modèle en couches du noyau atomique et des nombres magiques.</ref> :

{{Couches nucléaires et nombres magiques}}

La saturation d'une couche nucléaire confère au [[noyau atomique]] une stabilité supérieure à celle calculée par la [[formule de Weizsäcker]], issue du [[modèle de la goutte liquide]] — ce qui n'est pas sans rappeler l'inertie chimique des [[gaz noble|gaz rares]], caractérisés par la saturation de leur [[sous-couche électronique]] ''p'' périphérique. Le nombre de nucléons d'une population donnée correspondant à la saturation d'une couche nucléaire est appelé « [[Nombre magique (physique)|nombre magique]] » ; le noyau du [[plomb 208]], qui est le plus lourd des [[Isotope stable|isotopes stables]], est ainsi constitué de 82 [[proton]]s et 126 [[neutron]]s : 82 et 126 sont deux nombres magiques, ce qui explique la stabilité de ce nucléide par rapport à ceux qui n'en diffèrent que d'un ou deux nucléons.

== Classification ==

{{Article détaillé|Élément chimique|Tableau périodique des éléments}}

{{Tableau périodique flottant}}

[[Chimie]] et physique se rejoignent sur ce point, de sorte que les notions relatives à ces deux domaines des [[science]]s se recouvrent à leur sujet. Ainsi, en [[physique nucléaire]], on appelle ''[[nucléide]]'' un [[noyau atomique]] défini par un nombre déterminé de [[proton]]s et de [[neutron]]s, terme souvent confondu avec la notion équivalente d'''[[isotope]]'', qui relève davantage de la [[chimie]].

Un ''[[élément chimique]]'' se définit comme l'ensemble des atomes et des [[ion]]s dont le [[Noyau atomique|noyau]] comporte un nombre donné de [[proton]]s. Ce nombre est le [[numéro atomique]], noté ''Z'', de l'atome ou de l'élément chimique correspondant. Ainsi, tous les atomes n'ayant qu'un seul proton dans leur noyau {{nobr|(''Z'' {{=}} 1)}} correspondent à l'élément chimique ''[[hydrogène]]''. Il en existe trois variétés principales : le [[protium]] <sup>1</sup>H, couramment appelé ''hydrogène'' (seul nucléide stable dépourvu de neutron), le [[deutérium]] <sup>2</sup>H (stable, dont le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron), le [[tritium]] <sup>3</sup>H (radioactif, dont le noyau est constitué d'un proton et de deux neutrons). Ces nucléides sont des ''[[isotope]]s'', car leur noyau compte le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

La classification des atomes suit celle des éléments chimiques, dont les propriétés chimiques — mais aussi physiques — présentent une périodicité découverte au {{s|XIX}} et à l'origine du [[tableau périodique des éléments]]. On emploie indifféremment les termes ''[[isotope stable]]'' et ''nucléide stable'', ''[[radioisotope]]'' et ''radionucléide'', ou encore ''[[Transactinide|élément superlourd]]'' et ''atome superlourd''.

== Propriétés ==

=== Noyaux atomiques ===

==== Moment magnétique nucléaire ====

[[Fichier:MRT PraecessionRotation.png|redresse=.67|vignette|Précession de [[Joseph Larmor|Larmor]] d'un [[proton]] soumis à un champ magnétique ''B''<sub>0</sub>.]]

{{Article connexe|Spin|Résonance magnétique nucléaire|Imagerie par résonance magnétique}}

Les [[Particule élémentaire|particules élémentaires]] possèdent un [[nombre quantique]] appelé [[spin]], analogue à un [[moment angulaire]] et mesuré en unités de [[constante de Planck]] réduite (parfois appelée « constante de Dirac ») désignée par le symbole ℏ, qui se lit « h barre ». C'est également le cas des [[proton]]s et des [[neutron]]s du [[noyau atomique]], dont la résultante des spins se manifeste par un [[moment magnétique]] nucléaire. La valeur de ce dernier est spécifique à chaque noyau ; à l'[[état fondamental]], elle est nulle pour les [[nucléide]]s ayant à la fois un nombre pair de protons et un nombre pair de neutrons.

Cette propriété est mise à profit en [[imagerie par résonance magnétique]] (IRM), fondée sur la [[résonance magnétique nucléaire]] (RMN) : un matériau soumis d'une part à un [[rayonnement électromagnétique]], et d'autre part à un [[champ magnétique]] intense (de l'ordre du [[Tesla (unité)|tesla]]) qui oriente les noyaux atomiques dans une direction privilégiée (mais en les séparant en deux populations correspondant aux deux sens de cette direction), absorbe une partie du rayonnement électromagnétique à une fréquence déterminée par le [[rapport gyromagnétique]] du noyau ciblé, ce qui permet de déterminer par [[spectroscopie]] la concentration spatiale de ce noyau — typiquement dans le domaine des [[radiofréquence]]s pour les champs magnétiques ne dépassant pas {{unité|20|[[Tesla (unité)|T]]}}.

==== Énergie de liaison nucléaire ====

{{Article détaillé|Énergie de liaison nucléaire}}
{{Article connexe|Nucléosynthèse stellaire|Fusion nucléaire|Fission nucléaire}}

[[Fichier:Binding energy curve - common isotopes FR.svg|redresse=1.6|vignette|[[Énergie de liaison nucléaire]] par [[nucléon]] en fonction du [[nombre de masse]] des [[isotope]]s principaux.]]

La [[liaison nucléaire]] est généralement décrite comme une manifestation résiduelle entre [[nucléon]]s de l'[[interaction nucléaire forte]] qui maintient ensemble les [[quark]]s constituant les nucléons. L'[[énergie de liaison nucléaire]] est définie comme l'énergie nécessaire pour arracher un nucléon quelconque au noyau considéré. Elle est de l'ordre de quelques [[mégaélectron-volt]]s par nucléon, partant de 0 (par définition) pour le [[protium]] {{exp|1}}H pour atteindre {{unité|7.57|MeV}}/[[Nombre de masse|A]] avec l'{{nobr|[[uranium 238]]}} en passant par un maximum à {{unité|8.795|MeV}}/[[Nombre de masse|A]] pour le {{nobr|[[nickel 62]]}}<ref>[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin2.html#c1 The Most Tightly Bound Nuclei].</ref>. Cette propriété fondamentale explique pourquoi ce sont uniquement les atomes légers qui libèrent de l'énergie par [[fusion nucléaire]] tandis que ce sont uniquement les atomes lourds qui libèrent de l'énergie par [[fission nucléaire]] :
* la [[fusion nucléaire]] survient lorsque des [[nucléon]]s ou des noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau atomique plus gros. Si l'[[énergie de liaison nucléaire]] par [[nucléon]] est plus élevée dans le nouveau noyau, il y a libération d'énergie : c'est le cas dans les [[étoile]]s jusqu'au {{nobr|[[nickel 56]]}}, au niveau duquel s'arrête la [[nucléosynthèse stellaire]] ; le {{exp|56}}Ni étant instable, il se désintègre en {{nobr|[[fer 56]]}}, qui est stable. La nucléosynthèse ne se poursuit pas au-delà du nickel car le [[nucléide]] qui serait alors formé, le [[Zinc 60|{{exp|60}}Zn]], a une énergie de liaison nucléaire par nucléon inférieure à celle du {{exp|56}}Ni, et sa formation consommerait de l'énergie au lieu d'en libérer : c'est essentiellement tout à la fin de vie des étoiles, même de taille modeste, et particulièrement lors de l'explosion en [[supernova]]e des grosses étoiles, que les [[Élément chimique|éléments]] plus lourds que le [[fer]] et le [[nickel]] sont formés ;
* la [[fission nucléaire]] n'est autre que l'éclatement d'un noyau atomique en au moins deux morceaux plus petits, avec libération de neutrons (car les noyaux légers sont proportionnellement moins riches en neutrons que les noyaux lourds). Si l'[[énergie de liaison nucléaire]] par [[nucléon]] est plus faible dans le noyau initial que dans les [[Produit de fission|produits de fission]] alors il y a libération d'énergie : c'est le cas pour les noyaux plus massifs que ceux du {{nobr|[[nickel 62]]}} ; l'[[uranium]] et le [[plutonium]], par exemple, sont dans ce cas.

==== Stabilité nucléaire ====

{{Article connexe|Vallée de stabilité|Isotope stable|Nombre magique (physique)}}

La physique des [[Noyau atomique|noyaux atomiques]] est gouvernée par les trois [[Interaction fondamentale|interactions fondamentales]] du [[modèle standard (physique des particules)|modèle standard]] de la [[physique des particules]] : l'[[interaction forte]], l'[[interaction faible]] et l'[[Électromagnétisme|l'interaction électromagnétique]]. Chaque noyau atomique est défini par le nombre de [[proton]]s et de [[neutron]]s qu'il contient, ainsi que par son [[énergie totale]], l'ensemble définissant les différents « arrangements » des [[Physique des particules|particules]] selon lesquels l'énergie totale du système peut être distribuée. Plus il y a d'arrangements possibles et plus le système est stable : l'état présentant le plus grand nombre d'arrangements possibles est appelé [[état fondamental]] ; c'est celui vers lequel tendent tous les autres états de ce système.

Toute transition d'un état du système vers un autre requiert une [[énergie d'activation]], fournie, dans le cas des noyaux atomiques, par les fluctuations du [[vide quantique]]. Lorsque de telles fluctuations suffisent à faire basculer un noyau atomique d'un état donné vers un état d'énergie inférieure, ce noyau est dit instable : on a affaire à un [[radionucléide]]. Jusqu'au [[calcium]] ([[Numéro atomique|''Z'']]&nbsp;=&nbsp;20), les [[Élément chimique|éléments chimiques]] ont des [[Isotope stable|isotopes stables]] pour lesquels le nombre ''N'' de [[neutron]]s est à peu près égal au nombre [[Numéro atomique|''Z'']] de [[proton]]s, tandis qu'au-delà de ''Z''&nbsp;=&nbsp;20 le ratio ''N''/''Z'' tend vers 3/2. Les [[isotope]]s instables, appelé [[radioisotope]]s, connaissent une [[désintégration radioactive]] qui leur permet de se rapprocher d'un état de plus grande stabilité.

==== Radioactivité ====

{{Article détaillé|Radioactivité}}
{{Article connexe|Radioisotope}}

[[Fichier:Isotopes and half-life.svg|vignette|La [[vallée de stabilité]] des [[nucléide]]s diverge de la diagonale {{nobr|''N'' {{=}} [[Numéro atomique|''Z'']]}} dès {{nobr|''Z'' {{=}} 20}}.]]

La [[radioactivité]] désigne l'ensemble des phénomènes physiques par lesquels un [[nucléide]] instable réorganise sa structure nucléaire afin de gagner en stabilité. Ces phénomènes de [[désintégration radioactive]] peuvent être les suivants :
* [[Radioactivité α|désintégration α]] : le [[noyau atomique]] émet une [[particule α]] {{exp|4}}He pour s'alléger et, notamment, réduire son [[numéro atomique]] (et donc sa [[charge électrique]]). Ceci concerne surtout les noyaux lourds ;
* [[Radioactivité β|désintégration β]] : il en existe plusieurs variantes, la principale étant l'émission d'un [[électron]] et d'un [[Antineutrino|antineutrino électronique]] par un [[neutron]] converti en [[proton]] sous l'effet de l'[[interaction faible]] (désintégration β{{exp|−}}) ; ceci concerne les noyaux riches en neutrons. La réaction inverse est également possible : émission d'un [[positron]] et d'un [[Neutrino|neutrino électronique]] par un proton converti en neutron ([[émission de positron|désintégration β{{exp|+}}]]) ; ceci concerne les noyaux riches en protons. La [[capture électronique]] est une autre forme de désintégration β{{exp|+}}, qui survient lorsqu'un électron interagit avec un proton du noyau pour former un neutron avec émission d'un neutrino électronique ; le noyau résultant se trouve alors dans un [[état excité]]. Les phénomènes de [[Double désintégration bêta|double désintégration β]] (le [[Calcium 48|{{exp|48}}Ca]] donnant du [[Titane|{{exp|48}}Ti]]) et [[double capture électronique]] (le [[Krypton|{{exp|78}}Kr]] donnant du [[Sélénium|{{exp|78}}Se]] par exemple) sont particulièrement rares, car ils impliquent respectivement deux neutrons et deux protons simultanément ;
* [[Radioactivité γ|émission {{mvar|γ}}]] : le noyau atomique se trouve dans un état excité, un ou plusieurs de ses nucléons occupant des [[Niveau d'énergie|niveaux d'énergie]] supérieurs à ceux de l'[[état fondamental]] : un ou plusieurs [[Rayon gamma|photons γ]] sont émis au cours de la relaxation du noyau. Ceci est observé notamment lors d'une [[transition isomérique]] (le [[Technétium 99m|{{exp|99m}}Tc]] donnant du [[Technétium 99|{{exp|99}}Tc]], par exemple) ;
* [[fission spontanée]] : un gros noyau atomique « explose » en au moins deux fragments plus petits, avec émission de neutrons. Ce type de désintégration est observé notamment lorsque le ratio [[Numéro atomique|''Z'']]{{exp|2}}/[[Nombre de masse|''A'']] est au moins égal à 45 (c'est par exemple le cas du [[Californium|{{exp|252}}Cf]]) ;
* [[radioactivité de clusters]] : il s'agit d'un [[mode de désintégration]] toujours marginal, ayant un [[rapport de branchement]] de l'ordre de 10{{exp|-10}} (avec l'exception notable du [[Baryum|{{exp|114}}Ba]] émettant du [[Carbone|{{12}}C]]), consistant en l'émission de noyaux atomiques de petite taille mais plus gros qu'une particule α ;
* [[conversion interne]] : un [[isomère nucléaire]] retombe à son [[état fondamental]] en transférant son énergie d'excitation à un électron de son nuage électronique en vertu de la probabilité non nulle qu'un tel électron se trouve dans le noyau.

Chaque [[radioisotope]] est caractérisé par une [[période radioactive]], qui correspond au temps nécessaire pour que la moitié des atomes de cet isotope se soit désintégrée. Un même [[nucléide]] peut connaître plusieurs [[Mode de désintégration|modes de désintégration]], la proportion relative de chacun de ces modes étant appelée [[rapport de branchement]].

==== Îlot de stabilité ====

[[Fichier:Island-of-Stability.png|redresse=1.8|vignette|Localisation théorique de l'[[îlot de stabilité]].]]

{{Article détaillé|Îlot de stabilité}}
{{Article connexe|Superactinide}}

Certaines théories extrapolent les résultats du [[modèle en couches]] et les propriétés des [[Nombre magique (physique)|nombres magiques]] en prédisant l'existence d'un [[îlot de stabilité]] parmi les [[nucléide]]s superlourds, pour un nombre magique de {{nobr|184 neutrons}} et — selon les théories et les modèles — [[Flérovium|114]], [[Unbinilium|120]], [[Unbibium|122]] ou [[Unbihexium|126]] protons. Une approche plus moderne de la stabilité nucléaire montre toutefois, par des calculs fondés sur l'[[effet tunnel]], que, si de tels noyaux superlourds doublement magiques seraient probablement stables du point de vue de la [[fission spontanée]], ils devraient cependant connaître des [[Radioactivité α|désintégrations α]] avec une [[période radioactive]] de quelques microsecondes<ref>
{{Article|langue=en|prénom1=C.|nom1=Samanta|prénom2=P. Roy|nom2=Chowdhury|prénom3=D.N.|nom3=Basu|titre=Predictions of alpha decay half lives of heavy and superheavy elements|périodique=Nuclear Physics A|volume=789|numéro=1-4|date=2007-06|doi=10.1016/j.nuclphysa.2007.04.001|lire en ligne=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0375947407004307|consulté le=2023-03-10|pages=142–154| issn=0375-9474 }}</ref>{{,}}<ref>
{{Article|langue=en|prénom1=P. Roy|nom1=Chowdhury|prénom2=C.|nom2=Samanta|prénom3=D. N.|nom3=Basu|titre=Search for long lived heaviest nuclei beyond the valley of stability|périodique=Physical Review C|volume=77|numéro=4|date=2008-04-23|issn=0556-2813|issn2=1089-490X|doi=10.1103/PhysRevC.77.044603|lire en ligne=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevC.77.044603|consulté le=2023-03-10|pages=044603}}</ref>{{,}}<ref>
{{Article|langue=en|prénom1=P. Roy|nom1=Chowdhury|prénom2=C.|nom2=Samanta|prénom3=D.N.|nom3=Basu|titre=Nuclear half-lives for α-radioactivity of elements with 100⩽Z⩽130|périodique=Atomic Data and Nuclear Data Tables|volume=94|numéro=6|date=2008-11|doi=10.1016/j.adt.2008.01.003|lire en ligne=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0092640X08000119|consulté le=2023-03-10|pages=781–806}}</ref> Un îlot de relative stabilité pourrait néanmoins exister autour du [[darmstadtium]] 293, correspondant aux nucléides définis par [[Numéro atomique|Z]] compris entre [[Rutherfordium|104]] et [[Livermorium|116]], et [[Neutron|N]] compris entre 176 et 186 : ces [[Élément chimique|éléments]] pourraient avoir des [[isotope]]s présentant des [[Période radioactive|périodes radioactives]] atteignant quelques minutes.

==== Limite à la taille des noyaux ====

{{Article détaillé|Période 8 du tableau périodique}}
{{Article connexe|Transuranien|Transactinide|Élément synthétique}}

Le plus lourd des [[nucléide]]s synthétisés jusqu'à présent est l'[[isotope]] [[Oganesson|{{exp|294}}Og]]<ref>
{{article | titre=Livermore scientists team with Russia to discover element 118 | url=https://publicaffairs.llnl.gov/news/news_releases/2006/NR-06-10-03.html | périodique=LLNL Public Affairs | éditeur=Livermore press release | date=2006-12-03 | consulté le=2008-01-18 | année=2006}} {{Lien archive|url=https://publicaffairs.llnl.gov/news/news_releases/2006/NR-06-10-03.html |horodatage archive=20100527190027 |titre=Copie archivée}}.</ref>{{,}}<ref>
{{Article|langue=en|prénom1=Yuri|nom1=Oganessian|titre=Synthesis and decay properties of superheavy elements|périodique=Pure and Applied Chemistry|volume=78|numéro=5|date=2006-01-01|issn=1365-3075|issn2=0033-4545|doi=10.1351/pac200678050889|lire en ligne=https://www.degruyter.com/document/doi/10.1351/pac200678050889/html|consulté le=2023-03-10|pages=889–904}}</ref>{{,}}<ref>
{{lien web
 | langue      = en
 | consulté le = 25 mars 2013
 | url         = http://www.nature.com/news/2006/061016/full/061016-4.html
 | titre       = Heaviest element made - again}}.</ref>{{,}}<ref>
{{lien web
 | langue      = en
 | auteur      = Phil Schewe
 | coauteur    = Ben Stein
 | titre       = Elements 116 and 118 Are Discovered
 | série       = Physics News Update
 | éditeur     = [[American Institute of Physics]]
 | date        = 17 octobre 2006
 | url         = http://www.aip.org/pnu/2006/797.html
 | consulté le = 18 janvier 2008
}}.</ref>{{,}}<ref>
{{lien web
 | langue      = en
 | url         = https://www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2006/10/16/AR2006101601083.html
 | titre       = Scientists Announce Creation of Atomic Element, the Heaviest Yet
 | éditeur     = [[The Washington Post|Washington Post]]
 | auteur      = Rick Weiss
 | date        = 17 octobre 2006
 | consulté le = 18 janvier 2008
}}.</ref> et les recherches se poursuivent au [[Centre de recherche sur les ions lourds|GSI]] afin de produire l'isotope [[Unbinilium|{{exp|302}}120]]. On ignore précisément jusqu'à combien de [[nucléon]]s un [[noyau atomique]] peut contenir : on estime habituellement la limite d'observabilité expérimentale à environ [[Numéro atomique|Z]]&nbsp;≈&nbsp;130<ref name="EB">
{{en}} [http://www.britannica.com/EBchecked/topic/603220/transuranium-element ''Encyclopædia Britannica''], article ''Transuranium Element'', dont la brève section ''End of Periodic Table'' en fin d'article situe entre 170 et 210 la borne supérieure théorique au [[numéro atomique]], et à Z&nbsp;≈&nbsp;130 la limite d'observabilité des atomes.</ref> et la limite théorique à Z&nbsp;=&nbsp;173 : un {{174e}} [[proton]] (ou [[neutron]]) conférerait à la couche nucléaire 1s<sub>1/2</sub> une énergie de {{unité|-511|[[Kilo|k]][[Électron-volt|eV]]}}, égale à la masse au repos d'un [[électron]] ou d'un [[positron]] ; un tel noyau serait donc instable par rapport à la [[Radioactivité β|désintégration β]]<ref>[http://irfu.cea.fr/Phocea/file.php?class=cours&file=/ctheisen/Spectroscopy_of_very_heavy_elements_I.pdf CEA Saclay – Spectroscopy of very heavy elements] Slide #16 – Limit of stability: positron emission.</ref>{{,}}<ref>
{{lien web
 | langue      = en
 | consulté le = 25 mars 2013
 | url         = https://dx.doi.org/10.1119/1.2820395
 | titre       = Resource Letter QEDV-1: The QED vacuum
}} avec notamment toute une liste de références à consulter sur le thème de l'[[électrodynamique quantique]].</ref>.

=== Nuage électronique ===

Si les propriétés nucléaires de l'atome (masse, énergie nucléaire, radioactivité{{etc.}}) relèvent de la [[physique]], et particulièrement de la [[physique nucléaire]] et de la [[physique des particules]], les propriétés des nuages électroniques des atomes (taille, [[énergie d'ionisation]], [[conductivité électrique]], [[valence (chimie)|valence]]{{etc.}}) relèvent essentiellement de la [[chimie]] et de la [[science des matériaux]].

==== Taille des atomes ====

Le nuage électronique d'un atome n'a pas de dimensions bien définies car il consiste en une superposition d'[[Orbitale atomique|orbitales atomiques]] de nature [[probabiliste]]. Il n'existe donc pas de définition unique ni de mesure définitive de la taille des atomes : celle-ci est généralement définie en termes de distance moyenne entre noyaux d'atomes liés entre eux, mais cette distance varie en fonction de la nature chimique des atomes environnants, du nombre et de la géométrie des liaisons dans lesquelles l'atome est engagé, ou encore de la nature de ces liaisons ([[métal]]lique, [[Liaison covalente|covalente]], [[Liaison ionique|ionique]]{{etc.}}). Une valeur théorique de l'extension des orbitales atomiques peut néanmoins être calculée pour chaque noyau atomique, ce qui donne une valeur en excès par rapport aux méthodes empiriques fondées sur la géométrie des mailles [[cristal]]lines, ou aux mesures effectuées sur des [[molécule]]s :

{{Tableau des rayons atomiques}}

Au-delà des valeurs numériques, qui ne doivent être vues ici que comme indicatives, ce tableau permet d'illustrer deux tendances :
* en descendant le long d'un [[Groupe du tableau périodique|groupe]] du [[tableau périodique des éléments]], la taille des atomes augmente en raison de l'occupation d'orbitales atomiques de [[nombre quantique principal]] ''n'' croissant, qui correspond à des électrons de moins au moins liés au noyau et donc de plus en plus étendues spatialement ;
* en parcourant une [[Période du tableau périodique|période]] (ligne du tableau) de gauche à droite, la taille des atomes diminue en raison de l'attraction croissante du [[noyau atomique]], de plus en plus chargé positivement, qui limite l'extension spatiale des orbitales atomiques, chargées négativement, en les rapprochant du noyau.

La [[contraction des lanthanides]] illustre bien ce dernier phénomène, et est à l'origine du fait que les atomes des [[Métal de transition|métaux de transition]] des [[Éléments de la période 5|cinquième]] et [[Éléments de la période 6|sixième périodes]] ont des tailles à peu près égales : à peine deux [[picomètre]]s de plus pour le [[hafnium]] et le [[Tantale (chimie)|tantale]] que pour le [[zirconium]] et le [[niobium]] ; il s'ensuit une augmentation sensible de la [[masse volumique]] des métaux correspondants, par exemple 6,5 et 13,3 [[Gramme|g]]/[[Centimètre cube|cm{{exp|3}}]] respectivement pour le [[zirconium]] et le [[hafnium]] — soit plus qu'un doublement.

==== Liaisons chimiques ====

[[Fichier:Theobromine3d.png|redresse=.9|vignette|Modèle de [[molécule]] de [[théobromine]], un [[alcaloïde]] important du [[chocolat]]. Les couleurs des atomes sont conventionnelles :
<br>&nbsp;&nbsp;-&nbsp;noir ou anthracite pour le [[carbone]]
<br>&nbsp;&nbsp;-&nbsp;bleu pour l'[[azote]]
<br>&nbsp;&nbsp;-&nbsp;rouge pour l'[[oxygène]]
<br>&nbsp;&nbsp;-&nbsp;blanc ou gris clair pour l'[[hydrogène]].]]

{{Article détaillé|Liaison chimique|Valence (chimie)|Liaison covalente|Liaison ionique|Liaison métallique}}
{{Article connexe|Liaison hydrogène|Liaison halogène|Force de van der Waals}}

L'une des propriétés les plus remarquables des atomes est leur propension à former toute une variété de [[Liaison chimique|liaisons chimiques]] avec d'autres atomes, afin de constituer des [[Molécule|édifices moléculaires]], des [[Cristal|cristaux]], voire des [[Agrégat atomique|agrégats atomiques]] ([[Cluster (physique)|''clusters'']], « [[superatome]]s »). Ces liaisons résultent du recouvrement d'[[Orbitale atomique|orbitales atomiques]] appartenant à deux atomes pour former une [[Théorie de l'orbitale moléculaire|orbitale moléculaire]] occupée par deux [[électron]]s provenant chacun d'un des deux atomes engagés dans la liaison (on parle dans ce cas de [[liaison covalente]]), mais peuvent aussi provenir de l'attraction [[électrostatique]] entre atomes de [[charge électrique]] opposée (un [[cation]] positif et un [[anion]] négatif : on parle alors de [[liaison ionique]]).

La [[Réaction chimique|réactivité chimique]] des atomes dépend du nombre d'[[électron]]s qu'ils possèdent dans leurs [[Sous-couche électronique|sous-couches électroniques]] périphériques (sous-couches ''s'' et ''p'') — les [[Électron de valence|électrons de valence]]. En vertu de la [[règle de l'octet]], chaque atome tend en effet à atteindre un état où ses sous-couches ''s'' et ''p'' périphériques sont saturées d'électrons : deux électrons dans la sous-couche ''s'' et six électrons dans la sous-couche ''p''. Par exemple, l'[[hydrogène]] n'a qu'un unique électron dans sa sous-couche 1''s'', de sorte qu'il s'associe avec un autre atome pour acquérir le second électron qu'il manque à cette sous-couche pour être saturée : on dit que l'hydrogène est ''monovalent''. L'[[oxygène]], lui, a quatre électrons dans sa sous-couche 2''p'', et s'associe donc avec deux autres atomes pour acquérir les deux électrons qui manquent à cette sous-couche pour être saturée : l'oxygène est donc ''divalent''. Le [[carbone]], ayant deux électrons dans sa sous-couche 2''p'', est ''tétravalent''. Les [[gaz rare]]s les plus légers tels que l'[[hélium]] et le [[néon]], avec respectivement deux électrons dans la sous-couche 1''s'' et six électrons dans la sous-couche 2''p'', sont à peu près inertes chimiquement car leur configuration électronique est déjà saturée d'électrons de valence — mais il existe une [[chimie des gaz nobles|chimie des gaz rares]] concernant les gaz rares plus lourds, qui présentent une réactivité chimique non nulle en raison de l'écrantage du [[Noyau atomique|noyau]] par les [[Électron de cœur|électrons de cœur]] qui rend les électrons périphériques plus mobilisables.

La liaison covalente est une liaison forte : celle qui unit les deux atomes d'[[iode]] de la molécule [[Diiode|{{formule chimique|I|2}}]] n'est que de 151 [[Kilo|k]][[Joule|J]]/[[Mole (unité)|mol]], mais atteint {{unité|436|kJ/mol}} pour la molécule [[Dihydrogène|{{formule chimique|H|2}}]], {{unité|498|kJ/mol}} pour [[Dioxygène|{{formule chimique|O|2}}]], et {{unité|945|kJ/mol}} pour [[Diazote|{{formule chimique|N|2}}]].

[[Fichier:Isolator-metal-semicond-fr.svg|redresse=1.15|vignette|Nature [[métal]]lique, [[Semi-conducteur|semiconductrice]] et [[isolant électrique|isolante]] d'un matériau selon la [[théorie des bandes]].]]

Un autre type de liaison chimique s'observe dans les [[Métal|métaux]] : la [[liaison métallique]]. Les atomes métalliques ont en effet la propriété, lorsqu'ils s'assemblent, de faire apparaître, par recouvrement de leurs orbitales atomiques périphériques, une « [[bande de conduction]] » qui peut être occupée par des électrons délocalisés (on parle « d'aromaticité métallique ») issus des orbitales les moins liées de ces atomes ; la [[conductivité électrique]] des métaux résulte du fait qu'il existe un nombre bien plus élevé de configurations électroniques possibles (on parle de [[densité d'états électroniques]]) qu'il y a d'électrons dans cette bande de conduction, de sorte que ces derniers y constituent un « gaz d'électrons ».

Des atomes appartenant à des molécules distinctes peuvent également interagir avec leur nuage électronique autrement que par liaison covalente ou ionique. Ainsi, un atome d'[[halogène]] déficitaire en électrons et facilement polarisable peut former une [[liaison halogène]] avec les atomes ou [[Groupement fonctionnel|groupements fonctionnels]] riches en électrons, tels que des dérivés oxygénés ou azotés. De même, une molécule ayant un atome d'[[hydrogène]] acide peut former une liaison faible (de 5 à {{unité|20|kJ/mol}}) avec un atome électronégatif ayant des [[Doublet non liant|doublets non liants]]. Enfin, l'interaction des moments dipôlaires de deux atomes est à l'origine de la [[force de van der Waals]], dont la force est du même ordre de grandeur que celle de la [[liaison hydrogène]].

==== Électronégativité et affinité électronique ====

{{Article détaillé|Électronégativité|Affinité électronique}}

Compte tenu de leur configuration électronique, certains atomes auront davantage tendance que d'autres à attirer des électrons en formant des [[Liaison chimique|liaisons chimiques]] [[Liaison covalente|covalentes]]. Cette propriété est appelée l'[[électronégativité]] d'un atome. Elle dépend en premier lieu de leur [[numéro atomique]] et, corrélativement, de l'intensité de la liaison entre le [[noyau atomique]] et des [[Électron de valence|électrons de valence]]. Elle est généralement évaluée à l'aide de l'[[échelle de Pauling]], du nom de [[Linus Pauling]] qui la mit au point en 1932<ref>
{{article
 | langue      = en
 | auteur      = Pauling, L.
 | lien auteur = Linus Pauling
 | titre       = The Nature of the Chemical Bond. IV. The Energy of Single Bonds and the Relative Electronegativity of Atoms
 | périodique  = Journal of the American Chemical Society | lien périodique = Journal of the American Chemical Society
 | année       = 1932
 | volume      = 54
 | numéro      = 9
 | pages       = 3570–3582
 | doi         = 10.1021/ja01348a011
}}.</ref>. D'autres méthodes d'évaluation donnent des résultats légèrement différents, mais toutes révèlent les mêmes tendances à travers le [[Tableau périodique des éléments|tableau périodique]].

{{Éléments/Électronégativité}}

La lecture de ce tableau permet de dégager deux tendances principales :
* lorsqu'on parcourt de haut en bas une [[Groupe du tableau périodique|colonne]] du tableau, l'électronégativité diminue car les électrons de valence sont séparés du noyau par un nombre croissant de [[Sous-couche électronique|sous-couches électroniques]] et sont donc de moins en moins liés à lui, d'où une affinité d'intensité décroissante ;
* lorsqu'on parcourt de gauche à droite une [[Période du tableau périodique|période]] du tableau, l'électronégativité est minimale à gauche et maximale à droite ; cela provient du fait que les [[Métal alcalin|alcalins]] ont plutôt tendance à perdre un électron qu'à en gagner pour acquérir la [[configuration électronique]] d'un [[gaz rare]], tandis que les [[halogène]]s ont fortement tendance à gagner un électron pour saturer leur [[Sous-couche électronique|sous-couche]] ''p'' et acquérir la configuration électronique d'un gaz rare.

Le cas des gaz rares eux-mêmes est particulier car les plus légers d'entre eux sont chimiquement inertes, une véritable [[chimie des gaz rares]] n'existant que pour le [[krypton]] et, surtout, le [[xénon]] — le [[radon]] est trop [[Radioactivité|radioactif]] pour présenter une chimie significative.

L'électronégativité n'est pas une notion atomique absolue, mais plutôt une propriété chimique relative aux atomes engagés dans une liaison avec d'autres atomes. La propriété atomique ''stricto sensu'' correspondant à l'électronégativité est appelée [[affinité électronique]] et correspond à l'énergie libérée par l'adjonction d'un [[électron]] à un atome neutre pour former un [[anion]]. Il s'agit donc d'une [[grandeur physique]] mesurable, contrairement à l'électronégativité.

{{Éléments/Affinité électronique}}

Les valeurs représentées par un [[astérisque]] dans le tableau ci-dessus sont voisines de zéro d'après l'interprétation [[Physique quantique|quantique]] de la [[configuration électronique]] des atomes correspondants. On note que l'affinité électronique ne présente pas la périodicité régulière de l'électronégativité, mais qu'elle est tout de même la plus élevée pour les [[halogène]]s et sensiblement plus faible pour les [[Métal alcalin|métaux alcalins]] et, surtout, [[Métal alcalino-terreux|alcalino-terreux]].

==== Magnétisme ====

[[Fichier:Ferrimagnetic ordering.svg|redresse=1.15|vignette|Orientation des [[Moment magnétique|moments magnétiques]] des atomes dans un matériau [[Ferromagnétisme|ferromagnétique]].]]
[[Fichier:Magnet 4.jpg|redresse=1.15|vignette|Lévitation par [[effet Meissner]] d'un [[aimant]] au-dessus d'un matériau [[supraconducteur]] refroidi à l'[[azote liquide]].]]

{{Article détaillé|Spin|Champ magnétique|Magnétisme}}
{{Article connexe|Résonance paramagnétique électronique}}

Comme les [[nucléon]]s, les électrons possèdent un [[spin]], analogue à un [[moment angulaire]], intrinsèque à chaque électron, auquel se superpose un moment angulaire orbital, représenté par le [[nombre quantique secondaire]], généré par la distribution probabiliste de l'électron dans son orbitale atomique, qui s'assimile à un « mouvement ». Ces deux moments angulaires se combinent pour constituer un [[champ magnétique]] autour de l'atome. Lorsque deux électrons occupent une [[case quantique]] de l'atome, ils ont chacun un spin opposé en vertu du [[principe d'exclusion de Pauli]], ce qui annule le moment angulaire résultant ; mais les atomes et les [[ion]]s qui ont un nombre impair d'électrons ont par conséquent un [[moment magnétique]] résultant non nul provenant du spin de leurs électrons.

Les matériaux [[Ferromagnétisme|ferromagnétiques]] ont la particularité d'orienter dans la même direction les moments magnétiques de leurs atomes par [[interaction d'échange]], ce qui crée un [[champ magnétique]] macroscopique : c'est le cas, par exemple, de la [[magnétite]] {{formule chimique|Fe|3|O|4}}. Certains matériaux orientent au contraire les moments magnétiques de leur atomes dans des directions alternativement opposées, ce qu'on appelle « [[antiferromagnétisme]] ».

Les matériaux [[Paramagnétisme|paramagnétiques]] révèlent leur magnétisme intrinsèque uniquement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, qui aligne le moment magnétique de leurs atomes tant qu'il est présent ([[susceptibilité magnétique]] positive) ; dès que ce champ magnétique extérieur cesse d'être appliqué, la magnétisation d'un matériau paramagnétique disparaît. Les atomes ayant des électrons non appariés dans leurs [[Sous-couche électronique|sous-couches]] ''d'' et ''f'' ont des propriétés magnétiques intenses car ces électrons sont fortement localisés ; en particulier, les [[lanthanide]]s font des [[aimant]]s particulièrement puissants en raison de leur moment magnétique induit par jusqu'à sept électrons non appariés — notamment le [[néodyme]] et le [[samarium]]. Il existe une méthode d'analyse [[Spectroscopie|spectroscopique]] sous champ magnétique analogue à la [[résonance magnétique nucléaire]] (RMN) qui fait intervenir le spin des électrons au lieu de celui des [[Noyau atomique|noyaux]] : la [[résonance paramagnétique électronique]] (également appelée de façon plus propre « résonance de spin électronique »).

Le [[diamagnétisme]], quant à lui, est un phénomène assez général dû au moment angulaire orbital des électrons et non au spin de ces derniers, qui consiste en l'apparition d'un champ magnétique de direction opposée à tout champ magnétique extérieur ; c'est un phénomène généralement de faible intensité, hormis quelques cas particuliers tels que, par exemple, l'[[or]], le [[mercure (chimie)|mercure]], le [[bismuth]] et surtout les matériaux [[supraconducteur]]s ([[effet Meissner]]).

==== Fluorescence et phosphorescence ====

{{Article détaillé|Fluorescence|Phosphorescence}}

Un électron d'un atome peut être [[Excitation (physique)|excité]] par absorption d'un [[photon]] incident, ce qui le fait occuper une [[orbitale atomique]] d'énergie supérieure à celle de son [[état fondamental]]. De nombreuses [[molécule]]s [[Composé aromatique|aromatiques]] ou présentant des [[Liaison π|liaisons π]] [[Conjugaison (chimie)|conjuguées]] sont susceptibles d'être ainsi excitées simplement par éclairage ; leur relaxation vers l'état fondamental se traduit alors par l'émission d'un ou plusieurs photons, selon deux mécanismes distincts :

[[Fichier:Phosphorescent.jpg|redresse=1.15|vignette|Un exemple de [[phosphorescence]] : poudre de [[silicate]]-aluminate de [[strontium]] dopé à l'[[europium]] vu en [[spectre visible|lumière visible]], dans le proche [[ultraviolet]], et dans l'obscurité totale.]]
* la [[fluorescence]] consiste en l'émission, par un atome excité, d'un photon d'énergie inférieure au photon incident et correspondant exactement à la différence d'énergie entre l'état excité de l'électron et son état fondamental. Il s'agit par conséquent d'un phénomène quasi instantané, la durée de vie de l'état excité des matériaux usuellement employés pour leurs propriétés fluorescentes étant de l'ordre de 0,5 à {{unité|20|[[Nanoseconde|ns]]}} : la fluorescence cesse donc dès que l'éclairage cesse. La [[longueur d'onde]] émise est supérieure à celle de la lumière absorbée, ce qui permet par exemple d'obtenir des effets esthétiquement intéressants par éclairage [[ultraviolet]] de matériaux fluorescents émettant dans le [[spectre visible]] ;
* la [[phosphorescence]] diffère de la fluorescence en ce que la relaxation fait intervenir un [[état triplet]]{{Note|groupe=alpha|Un état triplet est celui d'un couple d'électrons aux [[spin]]s parallèles : leur [[multiplicité de spin]] vaut en effet {{nobr|2{{mvar|S}} + 1 {{=}} 3}} quand {{nobr|{{mvar|S}} {{=}} 1}}, ce qui est le cas avec deux électrons aux spins parallèles.}} entre les deux [[État singulet|états singulets]] que sont l'[[Excitation (physique)|état excité]] et l'[[état fondamental]]. Un électron excité dans un état singulet peut passer facilement dans un état triplet par [[conversion intersystème]], mais s'y trouve alors « piégé » car il ne peut rejoindre l'état fondamental singulet qu'à travers des transitions « interdites » ; ces dernières sont néanmoins possibles du point de vue [[Physique quantique|quantique]], notamment grâce à des [[Couplage spin-orbite|couplages spin-orbite]], mais demeurent [[Cinétique chimique|cinétiquement]] très défavorisées, ce qui explique que la phosphorescence soit un phénomène pouvant persister pendant, parfois, plusieurs heures.

==== Raies spectrales ====

[[Fichier:Spectral lines continuous.png|vignette|Spectre continu]]
[[Fichier:Spectral lines emission.png|vignette|Raies d'émission]]
[[Fichier:Spectral lines absorption.png|vignette|Raies d'absorption]]

{{Article détaillé|Raie spectrale}}
{{Article connexe|Spectre électromagnétique|Structure fine|Effet Zeeman|Effet Stark}}

L'interaction d'atomes avec un [[rayonnement électromagnétique]] peut également se traduire par l'apparition de raies d'absorption ou d'émission à certaines [[Longueur d'onde|longueurs d'onde]] particulières sur un [[spectre d'émission|spectre]] par ailleurs continu. Ces longueurs d'onde correspondent à l'énergie de transition entre [[Couche électronique|couches électroniques]] et [[Sous-couche électronique|sous-couches électroniques]] : lorsqu'un atome est atteint par un photon ayant une énergie égale à l'une de ces transitions entre niveaux d'énergie électroniques, un électron peut absorber ce photon et passer à un niveau d'énergie supérieur, laissant une longueur d'onde déficitaire en photons, ce qui se matérialise dans le spectre par une raie d'absorption.

Chaque atome, chaque [[ion]], et même chaque [[molécule]] ou [[radical libre]], possède ainsi une signature spectrale caractéristique, très employée par exemple en [[astrophysique]] pour détecter leur présence et déterminer leur concentration dans le [[milieu interstellaire]], voire l'[[espace intergalactique]] : la disposition des raies spectrales, leur éventuel décalage ([[décalage vers le rouge]]), leur largeur, leur netteté et leur éventuelle séparation en plusieurs composantes (ce qu'on appelle leur [[structure fine]]) sont ainsi des paramètres riches d'informations sur le milieu traversé par le rayonnement analysé entre sa source et sa détection par les instruments de [[spectroscopie]].

[[Fichier:Fraunhofer lines.svg|redresse=1.33|vignette|Exemple de spectre d'absorption.]]

* La présence d'un [[champ magnétique]] dans le milieu analysé peut être détectée par [[effet Zeeman]], qui scinde une raie spectrale unique en trois composantes ou davantage, en raison de l'interaction du champ magnétique ambiant avec le [[moment magnétique]] de [[spin]] des électrons de l'atome : si plusieurs configurations électroniques partagent le même niveau d'énergie en l'absence de champ magnétique, cela cesse d'être le cas lorsqu'un champ magnétique est appliqué et chacune de ces configurations électroniques acquiert un niveau d'énergie légèrement différent des autres, leur multiplicité devenant alors visible sur le spectre d'absorption.
* La présence d'un [[champ électrique]] peut être détectée dans le spectre de la même façon, cette fois en raison de l'[[effet Stark]].
* La [[vitesse radiale]] du milieu étudié par rapport à l'observateur peut être déterminée par le décalage des raies spectrales vers le rouge (éloignement) ou vers le bleu (rapprochement) par [[effet Doppler|effet Doppler-Fizeau]] : c'est un résultat très utile en [[astronomie]] pour évaluer la distance d'un objet à partir de son ''[[Décalage vers le rouge|redshift]]'' en appliquant la [[loi de Hubble]].

==== États de la matière ====

[[Fichier:Plasma-lamp 2.jpg|redresse=1.15|vignette|[[Lampe à plasma]], objet de décoration très en vogue dans les années 1980. La lumière est émise lors de la recombinaison des [[électron]]s avec les [[cation]]s du [[État plasma|plasma]], soulignant le phénomène de filamentation du courant dans le globe.]]

{{Article détaillé|État de la matière|Phase (thermodynamique)}}

La [[matière baryonique]] peut exister à l'[[état solide]], [[liquide]] ou [[gaz]]eux selon sa température et sa pression : les transitions entre ces états surviennent à des niveaux de température et de pression directement en rapport avec les propriétés des atomes et de leurs arrangements moléculaires qui constituent chaque matériau. Les états solide et liquide sont qualifiés d’''états condensés'', tandis que les états liquide et gazeux sont qualifiés d’''états fluides''. Les [[Cristal liquide|cristaux liquides]] (une [[mésophase]]) sont un état intermédiaire entre solide et liquide.

Il existe par ailleurs des [[État de la matière|états de la matière]] moins courants sur [[Terre]] et qui dérivent des précédents :
* les [[État plasma|plasmas]] sont un gaz d'atomes fortement ionisés dans un gaz d'électrons libres. Ce sont donc des milieux conducteurs. Il s'agit de l'état de la matière de loin le plus courant dans l'[[univers]] : les [[étoile]]s sont entièrement à l'état de plasma, le [[milieu interplanétaire]] du [[Système solaire]] est balayé par le [[vent solaire]], qui est un plasma, et des plasmas constituent l'essentiel du [[milieu interstellaire]] et de l'[[espace intergalactique]]. Sur [[Terre]], les [[Foudre|éclairs]] sont également des plasmas, de même que les [[Aurore polaire|aurores polaires]] ;
* les [[Condensat de Bose-Einstein|condensats de Bose-Einstein]] sont des gaz de [[boson]]s (les atomes sont aussi des bosons) piégés dans un puits de potentiel et refroidis à une température très proche du [[zéro absolu]] : dans ces conditions, une grande partie des bosons occupe l'[[état quantique]] de plus faible énergie dans le puits de potentiel, de sorte que leurs [[Fonction d'onde|fonctions d'onde]] se recouvrent au point de révéler à l'échelle macroscopique des effets quantiques ponctuels (à l'échelle de l'atome) inobservables à température plus élevée ;
* les [[supersolide]]s seraient un état non confirmé<ref>
{{article
 | langue      = en
 | auteurs      = E. Blackburn, J. M. Goodkind, S. K. Sinha, J. Hudis, C. Broholm, J. van Duijn, C. D. Frost, O. Kirichek, R. B. E. Down
 | titre       = Absence of low temperature anomaly in the Debye-Waller factor of solid He-4
 | journal     = Physical Review B
 | année       = 2007
 | volume      = 76
 | pages       = 024523
 | url         = http://fr.arxiv.org/abs/cond-mat/0702537v2
 | consulté le = 25/11/2009
 | doi         = 10.1103/PhysRevB.76.024523
}}.</ref> de la matière aux atomes ordonnés comme un [[cristal]] mais dont les [[Lacune (cristallographie)|lacunes]] se comporteraient comme un [[condensat de Bose-Einstein]] [[superfluide]]<ref>{{en}} E. Kim, A. Clark, X. Lin, J. West, M. H. W. Chan, [http://www.phys.psu.edu/~chan/supersolid.ppt ''Superfluidity in solid helium and solid hydrogen''], Penn State University.</ref>.

== Formation et évolution des atomes ==

{{Article détaillé|Milieu interplanétaire|Milieu interstellaire|Espace intergalactique}}
{{Article connexe|Voie lactée|Matière noire}}

Les atomes constituent environ 4 % de l'énergie totale observable de l'[[univers]], avec une concentration moyenne d'un atome pour quatre mètres cubes<ref>
{{lien web
 | langue      = en
 | nom        = Hinshaw
 | prénom     = Gary
 | date        = 10 février 2006
 | url         = http://map.gsfc.nasa.gov/m_uni/uni_101matter.html
 | titre       = What is the Universe Made Of?
 | éditeur     = NASA/WMAP
 | consulté le = 7 janvier 2008
}}.</ref>. Dans le [[milieu interstellaire]] d'une [[galaxie]] telle que la [[Voie lactée]], la concentration d'atomes varie selon les régions entre cent mille et un milliard d'atomes par mètre cube, bien que l'environnement immédiat du [[Soleil]] soit bien plus ténu : à peine cinquante mille atomes par mètre cube, ce qui définit précisément la [[bulle locale]] comme une cavité dans le milieu interstellaire formée par l'explosion de [[supernova]]s voisines il y a deux à quatre millions d'années<ref>[http://www.solstation.com/x-objects/chimney.htm Local Chimney and Superbubbles], Solstation.com.</ref>. Les [[étoile]]s se forment à partir de nuages denses, et les réactions de [[fusion nucléaire]] qui se déroulent en leur sein conduisent à la formation d'éléments chimiques plus lourds que l'[[hydrogène]], l'[[hélium]] et le [[lithium]] produits à la suite du [[Big Bang]].

Plus de 95 % des atomes de la Voie lactée se trouvent dans les étoiles, et les atomes « visibles » de notre galaxie représentent environ 10 % de sa masse : le reste de cette masse serait constitué d'une mystérieuse [[matière noire]].

=== Nucléosynthèse ===

{{Article détaillé|Nucléosynthèse primordiale|Nucléosynthèse stellaire}}
{{Article détaillé|Processus r|Processus s|Processus rp|Processus p}}

Dans les premières minutes de l'existence de l'univers, les quatre éléments les plus légers se sont formés au cours de la [[nucléosynthèse primordiale]] : environ 75 % d'[[hydrogène]] {{exp|1}}H, 25 % d'[[hélium]] {{exp|4}}He, 0,01 % de [[deutérium]] {{exp|2}}H, et des traces (de l'ordre de 10{{exp|-10}}) de [[lithium]] {{exp|7}}Li. Cette nucléosynthèse aurait été trop brève pour permettre la synthèse d'éléments plus lourds que le [[lithium]] et pour permettre la fusion du [[deutérium]]. Les atomes proprement dits, avec leur nuage électronique, se seraient formés lors de la [[Recombinaison (cosmologie)|recombinaison]], environ {{unité|377000|ans}} après le [[Big Bang]], et les premiers [[quasar]]s et [[étoile]]s se seraient formés après {{unité|150|millions}} d'années.

[[Fichier:Nucleosynthesis in a star.gif|redresse=1.6|vignette|Coupe d'une [[étoile]] [[géante rouge]], avant son explosion en [[supernova]], montrant les différentes couches séparées par les zones où se déroulent les étapes successives de la [[nucléosynthèse stellaire]].]]

La [[nucléosynthèse stellaire]] aurait alors pris le relais pour former tous les [[Élément chimique|éléments chimiques]] jusqu'au [[fer]] par [[Fusion nucléaire|fusion]] successive de noyaux d'[[hélium]] :
* fusion de l'[[hydrogène]] :
**[[Chaîne proton-proton|réaction proton-proton]],
** [[cycle carbone-azote-oxygène]] (CNO) ;
* fusion de l'[[hélium]] :
** [[réaction triple alpha]],
** [[réaction alpha]] ;
* fusion des éléments plus lourds jusqu'au [[fer]] :
** [[Fusion du carbone]],
** [[Fusion du néon]],
** [[Fusion de l'oxygène]],
** [[Fusion du silicium]].

À ce stade, la fusion cesse d'être exothermique et des réactions nécessitant un milieu très énergétique interviennent pour former les éléments plus lourds : [[capture neutronique]] ([[Processus r|processus ''r'']], [[Processus s|processus ''s'']]), protonique ([[Processus rp|processus ''rp'']]), et [[photodésintégration]] ([[Processus p|processus ''p'']]), qui interviennent tout à la fin de vie des étoiles, même peu massives, et surtout lors de l'explosion de [[supernova]]s.

=== Sur Terre ===

{{Article détaillé|Élément chimique}}

Selon toute vraisemblance, la grande majorité des atomes qui constituent la [[Terre]] étaient déjà présents dans la [[nébuleuse solaire]], dont l'[[effondrement gravitationnel]] aurait engendré le [[système solaire]]. Les atomes apparus depuis proviennent le plus souvent de la [[désintégration radioactive]] d'éléments primordiaux instables, et les [[Rapport isotopique|rapports isotopiques]] des [[Élément chimique|éléments]] correspondants offrent le moyen d'évaluer l'[[âge de la Terre]] par [[datation radiométrique]]<ref>
{{article
 | langue      = en
 | nom         = Dalrymple
 | prénom      = G. Brent
 | titre       = The age of the Earth in the twentieth century: a problem (mostly) solved
 | journal     = Geological Society, London, Special Publications
 | année       = 2001
 | volume      = 190
 | pages       = 205–21
 | doi         = 10.1144/GSL.SP.2001.190.01.14
 | url         = http://sp.lyellcollection.org/cgi/content/abstract/190/1/205
 | consulté le = 2008-01-14
}}.</ref>. Par ailleurs, l'[[abondance naturelle]] de l'[[hélium 3]] sur Terre par rapport à l'[[hélium 4]] des gisements de [[gaz naturel]] permet de déduire que 99 % de l'hélium 4 terrestre provient de la [[radioactivité α]]<ref>
{{lien web
 | langue      = en
 | nom1        = Anderson
 | prénom1     = Don L.
 | lien auteur1 = Don L. Anderson
 | auteurs      = Foulger, G. R. ; Meibom, Anders
 | date        = 2 septembre 2006
 | url         = http://www.mantleplumes.org/HeliumFundamentals.html
 | titre       = Helium: Fundamental models
 | éditeur     = MantlePlumes.org
 | consulté le = 14 janvier 2007
}}.</ref>. D'autres atomes, qualifiés de « cosmogéniques, » proviennent de l'interaction des [[Rayon cosmique|rayons cosmiques]] avec l'[[atmosphère terrestre]] : c'est le cas bien connu du [[carbone 14]], mais aussi, par exemple, du [[béryllium 10]]. Enfin, de très nombreux atomes synthétiques sont produits en laboratoire à des fins essentiellement scientifiques, parfois militaires, rarement industrielles (en raison du coût prohibitif des matériaux ainsi produits), tels que le [[silicium 42]] (pour valider certaines hypothèses sur le [[modèle en couches]] décrivant la [[structure nucléaire]]), le [[plutonium 239]] (matériau de choix pour les [[Arme nucléaire|armes nucléaires]]), le [[technétium 99m]] (très utilisé en [[médecine nucléaire]]) ou encore l'[[américium 241]] (employé industriellement dans les [[détecteur et avertisseur autonome de fumée|détecteurs de fumée]]).

=== Atomes de Rydberg ===

{{Article détaillé|Atome de Rydberg}}

Sous certaines conditions, il est possible d'exciter des atomes, par exemple avec un [[laser|laser à colorant]], pour placer certains de leurs électrons dans des [[Orbitale atomique|orbitales atomiques]] correspondant à un [[nombre quantique principal]] ''n'' égal à plusieurs dizaines d'unités, voire supérieur à 100<ref>
{{Ouvrage
 | langue=en
 | prénom1=Thomas F.
 | nom1=Gallagher
 | titre=Rydberg Atoms
 | éditeur=Cambridge University Press
 | année=1994
 | pages totales=512
 | isbn=978-0-521-02166-1
 | isbn10=0521021669
 | présentation en ligne=https://books.google.com/books?id=8JIpEhHWT-cC&printsec=frontcover
}}.</ref>. De tels atomes sont appelés [[Atome de Rydberg|''atomes de Rydberg'']]. Ils ont des propriétés remarquables, telles qu'une très grande [[susceptibilité électrique]] et [[Susceptibilité magnétique|magnétique]]<ref>
{{lien web
 | langue      = en
 | url         = http://www.sunysb.edu/metcalf/rydbergprint.htm
 | titre       = Rydberg Atom Optics
 | consulté le = 30 juillet 2008
 | auteur      = Metcalf Research Group
 | date        = 8 novembre 2004
 | éditeur     = Stoney Brook University
 }} {{Lien archive|url=http://www.sunysb.edu/metcalf/rydbergprint.htm |horodatage archive=20050826121501 |titre=Copie archivée}}.</ref>, une relative stabilité, et des [[Fonction d'onde|fonctions d'onde]] [[électron]]iques approchant, dans une certaine mesure, l'orbite décrite par un électron en mécanique classique autour du [[Noyau atomique|noyau]]. Les [[Électron de cœur|électrons de cœur]] écrantent le [[champ électrostatique]] du noyau du point de vue de l'électron périphérique, pour lequel le potentiel du noyau est identique à celui d'un atome d'hydrogène<ref>
{{lien web
 | langue      = en
 | url         = http://webphysics.davidson.edu/alumni/jimn/Final/Pages/FinalRydberg.htm
 | titre       = Rydberg Atoms and the Quantum Defect
 | consulté le = 30 juillet 2008
 | nom         = Nolan
 | prénom      = James
 | date        = 31 mai 2005
 | éditeur     = Davidson College
}}.</ref>. Le comportement de cet électron particulier est particulièrement bien décrit par le [[modèle de Bohr]], pourtant très insuffisant pour modéliser les atomes « conventionnels ».

Les atomes de Rydberg ont une taille très supérieure à celle des atomes à l'[[état fondamental]] : l'état d'excitation jusqu'à ''n'' = 137 d'un atome d'[[hydrogène]] correspond à un rayon atomique d'environ {{unité|1|[[Micromètre|μm]]}}, soit cinq ordres de grandeur au-dessus du rayon d'un atome d'hydrogène à l'état fondamental ({{nobr|''n'' {{=}} 1}}). Ils ne peuvent exister dans le milieu naturel terrestre car leur [[énergie d'ionisation]] y est bien inférieure à l'énergie thermique, mais représentent une partie importante de la matière du [[milieu interstellaire]], où ils peuvent persister longtemps sans interaction avec d'autres atomes ni avec des [[Champ électrique|champs électriques]] ou [[Champ magnétique|magnétiques]] susceptible de provoquer leur retour à l'état fondamental. La [[raie spectrale]] à {{unité|2.4|[[Giga|G]][[Hertz|Hz]]}} révélatrice de la transition de [[nombre quantique principal]] entre {{nobr|''n'' {{=}} 109}} et {{nobr|''n'' {{=}} 108}} de l'atome d'hydrogène est ainsi très fréquemment observée par les [[astronome]]s<ref>{{lien brisé|url=http://cc.oulu.fi/~jpoutane/teaching/ISM07/ism_2007_intro.pdf}}.</ref>.

Compte tenu de leur [[susceptibilité électrique]] et [[Susceptibilité magnétique|magnétique]] très élevée, les propriétés électriques et magnétiques des milieux contenant une proportion significative d'[[Atome de Rydberg|atomes de Rydberg]] sont sensiblement altérées par leur présence.

=== Formes atomiques rares ou hypothétiques ===

{{Article détaillé|Atome exotique|Antihydrogène|Période 8 du tableau périodique}}

Différentes formes d'[[Atome exotique|atomes exotiques]] ont été conjecturées, et parfois observées. C'est le cas, par exemple, des atomes muoniques, dans lesquels un [[électron]] est remplacé par un [[muon]] : ce dernier étant plus massif qu'un électron, il présente des orbitales plus proches du noyau, ce qui donne des « atomes » plus petits. De la même façon, un électron peut être remplacé par un [[hadron]], tel qu'un [[méson]], une [[Baryon sigma|particule Σ<sup>−</sup>]], voire un [[antiproton]]. Le seul atome exotique ayant une durée de vie significative {{incise|qui n'excède cependant pas {{unité|2.2|[[Micro (préfixe du système international)|μ]][[seconde (temps)|s]]}}}} est le [[muonium]], résultant de l'interaction d'un électron avec un [[Muon|muon μ<sup>+</sup>]] servant de « noyau ». Ces formes d'atomes sont utiles pour vérifier certains aspects du [[Modèle standard (physique des particules)|modèle standard]] de la [[physique des particules]], notamment les [[Interaction élémentaire|interactions élémentaires]].

L'interaction d'un [[positron]] avec un [[antiproton]] donne un atome d'[[antihydrogène]], qui est un atome d'[[antimatière]]. Il existe ''a priori'' un « [[antiatome]] » pour chaque atome ; la production d'antimatière demeure néanmoins une expérience particulièrement coûteuse en énergie, et seul l'antihydrogène {{exp|1}}{{Surligner|H}} a été synthétisé à ce jour.

Il existe également tout une variété d'atomes « conventionnels » mais néanmoins absents du milieu naturel et donc produits artificiellement. Ces [[Élément synthétique|éléments synthétiques]] sont, à deux exceptions près<ref>Le [[technétium]] et le [[prométhium]].</ref>, des [[transuranien]]s, qui sont de plus en plus instables à mesure que leur [[numéro atomique]] augmente.

== Histoire du concept d'atome ==
{{Article détaillé|Frise chronologique de la physique microscopique}}

La notion d'atome est particulièrement bien admise 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 rendre compte des résultats expérimentaux obtenus au fil du temps.

=== Antiquité : un concept philosophique ===
Il est possible que divers [[peuple]]s aient développé la notion de « grain composant la matière », tant ce concept peut sembler évident lorsque l'on morcelle une motte de terre, ou en regardant une dune. Dans la [[culture]] [[Europe|européenne]], ce concept apparaît pour la première fois dans la [[Grèce antique]] au {{Ve siècle av. J.-C.}}, chez les [[philosophe]]s [[présocratiques]], notamment [[Leucippe]] (environ [[460 av. J.-C.|460]]-[[370 av. J.-C.]]), [[Démocrite]] et plus tard [[Épicure]]. La théorie [[atomisme|atomiste]] sera ensuite magnifiquement exposée par le Romain [[Lucrèce]] dans son œuvre ''[[De rerum natura]]'', qu’il résume en affirmant que « les corps premiers sont [...] d’une simplicité impénétrable, et forment un ensemble homogène et étroitement cohérent de particules irréductibles [...] dont la nature ne permet pas qu’on puisse encore rien retrancher ni soustraire<ref>{{Ouvrage|langue=Latin|auteur1=Lucrèce|titre=De rerum natura|passage=26 (vers 609/613)|lieu=Paris|éditeur=Les Belles Lettres|date=1924|pages totales=324}}</ref>. » Un des arguments majeurs développé par les atomistes est la permanence de l'univers qui suggère l'existence d'objets ultimement insécables rendant nécessaire une certaine quantité d'énergie pour disséquer la matière. Dans le cas contraire, toute énergie non nulle suffirait à dégrader la matière et userait l'univers qui prendrait peu à peu la forme de poussières impalpables. L'univers étant pensé ancien par les Grecs, cette idée d'une continuité de la matière était donc incompatible avec la stabilité du monde observée<ref>{{Lien web|langue=fr|auteur1=Roland Lehoucq|auteur2=Jean-Marc Lévy-Leblond|titre=D’où vient l’atome ?|url=https://www.franceculture.fr/emissions/la-conversation-scientifique/comment-t-su-ce-que-lon-sait-45-dou-vient-latome|site=www.franceculture.fr|date=29 avril 2017|page=5:15}}.</ref>.

Il s'agit d'une conception 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 être divisée 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|éléments]] ([[eau]], [[air]], [[terre]], [[feu]]) peut donc compléter cette thèse. L'[[atomisme]] est une solution {{quoi|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. Les atomes sont indivisibles ; ils composent la matière comme les lettres composent les mots. Ce fut sans doute un tournant philosophique majeur, à l'origine du [[matérialisme]] et de la séparation de la science et 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 confirmation.

=== La chimie du {{s-|XVIII}} — les éléments ===

Depuis des millénaires, on a remarqué que les produits se transforment : le [[feu]], la [[métallurgie]], la [[corrosion]], la [[vie]], la [[cuisson]] des aliments, la [[biodégradation|décomposition]] de la [[matière organique]]{{etc.}} 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 [[Royaume-Uni|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]]), 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]] énonce en {{date-|1775}} que<ref group=alpha>Cette notion avait déjà été énoncée dans l'Antiquité, par [[Anaxagore]], et elle fut acceptée par un grand nombre de [[philosophe]]s ([[Épicure|épicuriens]], [[Stoïcisme|stoïciens]]{{etc.}}) ; ce principe se fondait sur les observations possibles pour l'époque et fut élaborée selon une démarche scientifique.</ref> : {{citation|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. 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 dioxyde de carbone 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 observation marque la naissance de la [[chimie]]. Les scientifiques commencent donc à recenser les éléments dont sont composées toutes les substances et à créer une nomenclature systématique — oxygène : qui produit des acides ({{grec ancien|ὀξύς|oxús}} signifie « piquant » en grec) — hydrogène : qui produit de l'eau… Par exemple, en {{date-|1774}}, Lavoisier, en suivant les travaux des chimistes britanniques, établit que l'air se compose d'« air vital » (dioxygène) et d'« air vicié et méphitique, mofette » (diazote) ; en {{date-|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 ({{grec ancien|λύσις|lúsis}} signifie « dissolution » en grec) : on décompose les produits (par attaque acide, en les brûlant, en les distillant{{etc.}}) jusqu'à obtenir des substances simples reconnaissables facilement (l'hydrogène, l'oxygène, le carbone, le fer{{etc.}}).

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

=== La physique du {{s-|XVIII}} — les particules ===

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

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

[[René Descartes]] (mathématicien, physicien et philosophe français) émet l'idée, en {{date-|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 {{date-|1687}}).

Cependant, cette notion de corpuscules inspire d'autres scientifiques. Les mathématiciens suisses [[Jakob Hermann]] ({{date-|1716}}) et [[Leonhard Euler]] ({{date-|1729}}), mais surtout le physicien suisse [[Daniel Bernoulli]] ({{date-|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 {{s-|XVIII}} : 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]], {{date-|1772}}). L'abbé [[René Just Haüy]], en {{date-|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.

=== {{s-|XIX}} — le triomphe de l'atome ===

À ce stade, ressortent trois notions :
* les corps chimiques sont décomposables en substances élémentaires ;
* les gaz sont composés de corpuscules qui tourbillonnent 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 {{s-|XIX}} permettent de faire converger ces trois notions et d'établir les notions de molécule et d'atome.

[[John Dalton]], en {{date-|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 {{date-|1807}}, [[Joseph Louis Gay-Lussac]], établit la loi reliant la température et la pression d'un gaz. En {{date-|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 {{date-|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 (chimiste)|Jean-Baptiste Dumas]] ({{date-|1827}}) et [[William Prout]] ({{date-|1834}}) arrivent à la même conclusion.

En [[1813 en science|1813]], [[Jöns Jacob Berzelius]] inventa et fit admettre universellement des formules chimiques analogues aux formules algébriques pour exprimer la composition des corps ; le système actuel de notation fut adopté grâce à lui qui le proposa.

En {{date-|1821}}, {{Lien|fr=John Herapath|lang=en|trad=John Herapath|texte=John Herapath}} 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]], en {{date-|1827}}, observe le mouvement de particules à l'intérieur de grains de pollen ; ceux-ci 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 {{date-|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]], en {{date-|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]], en {{date-|1849}}, détermine les 32 réseaux cristallins possibles.

En {{date-|1858}}, [[Stanislao Cannizzaro]] insiste sur la distinction, précédemment émise par Avogadro sous forme d'hypothèse, entre le poids moléculaire et atomique et montre comment le poids atomique des éléments contenus dans des composés volatils peut être déduit de la connaissance de leur chaleur spécifique et comment le poids atomique des composés dont la densité de vapeur est inconnue peut aussi être déduit de la chaleur spécifique. La même année, [[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 {{date-|1859}}, [[James Clerk Maxwell]] introduit la notion de dispersion statistique des vitesses des molécules dans la cinétique des gaz. Ceci permet à [[Ludwig Boltzmann]], en {{date-|1858}}, d'estimer la taille des molécules et de définir la répartition statistique des vitesses dans un gaz.

En [[1863 en science|1863]], [[John Newlands]] publie le premier [[tableau périodique des éléments]], ordonnés en fonction de leurs masses atomiques relatives, et émet l'hypothèse, en {{date-|1865}}, de la « [[loi des octaves]] » selon laquelle les propriétés chimiques d'un élément de la table se retrouvent tous les huit éléments. Personne n'y croit à l'époque.
[[Fichier:Mendeleev's 1869 periodic table.png|thumb|La première version du tableau périodique des éléments de Mendeleïev]]
[[Dmitri Mendeleïev|Dimitri Ivanovitch Mendeleïev]] (chimiste russe), en {{date-|1869}}, classe les atomes par masse croissante, et remarque qu'il y a bien une périodicité dans leurs propriétés chimiques. Il établit donc un [[tableau périodique des éléments|tableau classant les éléments]] ; les trous dans ce tableau donnent l'élan à des scientifiques de rechercher les éléments manquants.

=== 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 {{s-|XX}}, et notamment :
* la découverte de l'électron ([[Joseph John Thomson]], {{date-|1897}}) ;
* les expériences de déviation des particules alpha par la matière ([[Ernest Rutherford]], {{date-|1911}}) ;
* les expériences de diffraction des rayons X sur les cristaux ([[Max von Laue]], {{date-|1912}}).

{{à sourcer|date=mars 2009}}

== 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 indivisibles, 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 α|particules α]], en traversant la matière, voient leur trajectoire perturbée, ce qui va permettre enfin de savoir comment est organisée cette « poussière »…
* [[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 ;
* [[1854]] : [[Heinrich Geissler]] et [[Julius 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) ;
[[Fichier:Premiers modèles atomiques.png|thumb|Comparaison de 4 premiers modèles atomiques sur l'exemple de l'atome de bore]]
* [[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 ;
* [[1900]] : [[Max Planck]] montre la quantification des échanges d'énergie dans la matière (recherches sur le [[corps noir]]) ;
* [[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 :
** la plupart des particules vont en lignes droites, donc la matière est « pleine de trous » ;
** mais certaines sont déviées et même rebroussent chemin, donc elles rencontrent des îlots très concentrés de matière chargée positivement (les + se repoussent entre eux).
:Il en déduit le ''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)
* [[1913]] : [[Niels Bohr]] réunit les concepts de Planck et de Rutherford, et propose un ''modèle atomique quantique'': 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) ;
* [[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 ;
* [[1924]] : [[Louis de Broglie]] postule la dualité onde-corpuscule ;
* [[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.

=== 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.

==== Modèle de J.J. Thomson ou modèle de l'électron élastiquement lié à l'atome ====
{{article détaillé|Modèle de Thomson}}
[[Fichier:Plum pudding atom.svg|thumb|left|Le pudding de Thomson, la charge positive est répartie uniformément dans tout le volume, qui est parsemé 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, baignent dans une « pâte » positive, à l’image des fruits confits dans un gâteau, d'où le surnom de ''plum-[[pudding]]'' parfois donné à ce modèle. Ce modèle, même s'il inclut l'électron, reste donc analogue au modèle des sphères dures, qui fut invalidé en [[1911]] par l'[[Expérience de Rutherford|expérience]] d’un ancien étudiant de Thomson, [[Ernest Rutherford]].

==== Modèle planétaire de Rutherford ====
{{article détaillé|Modèle atomique 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 bombarde une fine feuille d'or par un faisceau de [[particule α|particules alpha]] (particules de charges électriques positives). Il observe que les particules sont déviées faiblement, ce qui ne correspond 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 {{incise|très petit par rapport à l'atome (environ {{nombre|100000|fois}})}} et ses électrons, un très grand [[vide (physique)|vide]] existe.

Ce modèle fut très vite mis en défaut par les [[équations de Maxwell]] d'une part, qui [[Formule de Larmor|prédisent]] que toute charge accélérée rayonne de l'énergie, et par les expériences montrant la quantification des niveaux d'énergie d'autre part. Il n'a plus qu'un usage pédagogique, souvent sous la forme du ''modèle de Rutherford-Chadwick'' qui inclut les [[Proton|protons]] et les [[Neutron|neutrons]] dans le noyau.

=== Modèles approchés couramment employés ===
==== Modèle des sphères dures ====
Le modèle le plus simple pour représenter un atome est une boule indéformable. Ce modèle est très utilisé en [[cristallographie]] et en [[physique statistique]] où il prend la forme du modèle des [[sphères élastiques infiniment dures]],  ainsi que dans l'enseignement de la chimie pour la représentation des molécules à l'aide de [[Modèle moléculaire boules-bâtonnets|modèles moléculaires]]. 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.

[[Fichier:atome spheredure 3d.png|vignette|upright=3|center|Modèle des [[Sphères élastiques infiniment dures|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 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 la forme des molécules : si les atomes n'ont pas de direction privilégiée, comment expliquer que les liaisons chimiques révèlent des angles bien définis ?

==== Modèle de Bohr ====
[[Fichier:Atome bohr.svg|right|upright=1.5|thumb|Modèle de l’atome de Bohr : un modèle planétaire dans lequel les électrons ont des orbites définies.]]
{{Article détaillé|Modèle de Bohr}}
Un modèle fut développé par [[Niels Bohr]] en [[1913]] à partir des propriétés mises en évidence par [[Max Planck|Planck]] et [[Ernest Rutherford|Rutherford]]. C'est un [[Modèle planétaire de l'atome|modèle planétaire]] comme celui de Rutherford, où l’atome est composé d’un noyau chargé positivement, et d’électrons tournant autour, mais dans le [[modèle de Bohr]] les rayons des orbites des électrons ne peuvent prendre que des valeurs bien précises. Bohr ajoute une hypothèse ad-hoc qu'ils ne peuvent pas perdre d'énergie s'ils restent sur la même orbite : c'est une rupture avec la physique classique car les [[équations de Maxwell]] prévoient une [[Formule de Larmor|perte d'énergie par rayonnement]] pour toute particule chargée accélérée, ce que sont les électrons si on les considère classiquement comme des corpuscules. Rétrospectivement, on peut voir dans cette rupture les prémices de la [[mécanique quantique]].

Le noyau est très compact, d’un diamètre d’environ 10{{Exp|-15}} à 10{{Exp|-14}}&nbsp;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. 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 les 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 {{nobr|rayons X}}. En effet, le système {noyau+électrons} étant stable et confiné, {{Quoi|d’énergie négative,|date=27 février 2025}} il ne possède qu’un ensemble discret d’états (et donc de niveaux) d’énergie : c’est le passage d’un état à l’autre de l’atome qui provoque une émission [[Discret|discrète]] d’énergie, ce qui explique donc les raies spectroscopiques des atomes. 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 élastiques infiniment dures|sphères dures]], pour lequel la surface de la sphère correspond à l’orbite des électrons extérieurs.

Cependant, très vite, le modèle de l’atome de Bohr ne permettra pas d’expliquer l’ensemble des observations ([[effet Zeeman]]{{etc.}}). Il faut attendre 1924-1926 pour qu’avec [[Erwin Schrödinger|Schrödinger]], les corpuscules sur des orbites deviennent des ondes : la [[mécanique quantique]] est née.

=== Modèle actuel : modèle de Schrödinger ===
La naissance de la mécanique ondulatoire de [[Louis de Broglie]] en [[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 des ''nuages de probabilité de présence''. Ce point de vue, révolutionnaire, peut choquer en première approche. Cependant la représentation que l'on pouvait se faire d'un électron — une petite bille ? — était dictée par les formes observées dans le monde macroscopique, transposées sans preuves dans le monde ''microscopique''. Il faut bien avoir conscience du fait que ce que l'on connaît de l'électron ne repose que sur des manifestations indirectes : courant électrique, tube cathodique (télévision)…

Depuis les [[années 1930]], on modélise ainsi l'électron par une « [[mécanique quantique|fonction d'onde]] », généralement notée Ψ, dont le carré de la [[norme (mathématiques)|norme]] représente la densité de probabilité de présence. Pour représenter fidèlement les propriétés de l'électron, on ne dispose que de fonctions mathématiques compliquées ; cette abstraction rebute encore bien des physiciens. Nous essayons ci-dessous de donner une image de la notion de fonction d'onde, image nécessairement imparfaite.

: ''Imaginons'' que hors de l'atome, l'électron soit une petite bille. Lorsque l'électron est capturé par l'atome, il se « dissout » et devient un nuage diffus, il s'« évapore ». Quand on l'arrache de l'atome, il redevient une petite bille, il se « recondense ». Il existe d'autres exemples d'objet qui changent de forme, par exemple, hors de l'eau, le sel est sous forme de cristaux ; mis dans l'eau, il se dissout, et si l'on fait s'évaporer l'eau, on retrouve des cristaux. Le sel change de forme (cristal compact ou dissous dans l'eau), mais on a tout le temps du sel.
[[Fichier:Atome electronejecte.svg|alt=|centré|cadre|Image simplifiée de l'arrachement d'un électron du nuage électronique dans le modèle de Schrödinger.]]
De manière un peu plus exacte : un électron, hors d'un atome, est représenté par un [[paquet d'ondes]], qui peut être considéré, dans certaines limites, comme une petite bille. La [[mécanique quantique]] démontre qu'un tel paquet d'ondes s'étale au cours du temps ; au contraire, un électron d'un atome conserve la structure de la fonction d'onde associée à l'orbite qu'il occupe (tant qu'il n'est pas éjecté de l'atome). La mécanique quantique postule donc, non la conservation de la forme (non connue) de l'électron, mais la conservation de l'intégrale de la probabilité de présence.

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). L'ionisation de l'atome (l'arrachement d'un électron de l'atome) peut alors être représentée par le schéma simplifié ci-dessous.

Pour éviter des complications inutiles, on considérera l'atome le plus simple (l'atome d'[[hydrogène]]) 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]].

[[Fichier:Hetat1s.jpg|vignette|Densités de probabilité de présence de l'électron, dans l'état fondamental de l'atome d'hydrogène. (1) Dans un plan {{math|O''xy''}} passant par le centre de l'atome, la densité ponctuelle <math>p(r)</math> est représentée par des niveaux de gris : elle est maximale au centre et décroît continûment en s'en éloignant. (2) Dans un diagramme {{math|O''rP''}} on a tracé le [[graphe d'une fonction|graphe]] de la densité radiale <math>P(r)</math> : elle croît depuis 0 puis décroît jusqu'à 0, et prend son maximum à une distance <math>r_1</math> égale au premier rayon de Bohr.]]

Soit <math>p(r,\theta,\phi)</math> la densité de probabilité de présence de l'électron au point de [[coordonnées sphériques]] <math>(r,\theta,\phi)</math>. Par définition de cette densité, la probabilité que l'électron se trouve dans l'[[Volume#Volume élémentaire|élément de volume]] <math>\mathrm d^3V=r^2\sin\theta\,\mathrm dr\,\mathrm d\theta\,\mathrm d\varphi</math> entourant le point <math>(r,\theta,\phi)</math> est <math>p(r,\theta,\phi)\,\mathrm d^3V</math>. Dans l'état fondamental, la densité de probabilité est de symétrie sphérique, c'est-à-dire que {{mvar|p}} ne dépend pas de {{mvar|θ}} ni de {{mvar|φ}} : on peut la noter plus simplement <math>p(r)</math>. On montre que <math>p(r)</math> est maximale pour <math>r=0</math> (et décroît jusqu'à 0 quand <math>r\to\infty</math>) ; autrement dit, le point où l'électron a le plus de chances de se trouver est au centre de l'atome.

Considérons maintenant la densité radiale de probabilité de présence de l'électron, <math>P(r)</math>. Par définition de cette densité, la probabilité que l'électron se trouve dans une couronne sphérique d'épaisseur <math>\mathrm dr</math> autour de la [[distance radiale]] {{mvar|r}}, de volume <math>\mathrm dV=4\pi r^2\mathrm dr</math>, est <math>P(r)\,\mathrm dr</math>, donc <math>P(r)=4\pi r^2p(r)</math>. On montre que <math>P(r)</math> est une fonction croissante puis décroissante de {{mvar|r}}, nulle pour <math>r=0</math> et <math>r\to\infty</math> et maximale pour <math>r=r_1</math> où <math>r_1</math> est le rayon de la première orbite du modèle de Bohr ({{unité|0,0529 nm}}). Autrement dit, la distance du centre de l'atome à laquelle l'électron a le plus de chances de se trouver est <math>r_1</math>.

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>.

[[Fichier:Hydro2spz.png|vignette|Graphe de la densité de probabilité de présence.]]

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 probabilité de présence 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 de probabilité de présence s'étale plus loin pour une orientation donnée.

Ce modèle permet d'expliquer :
* la stabilité de l'atome, les charges sont accélérées, mais 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 dure ;
* 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).

== Noyau atomique ==
{{Article détaillé|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 {{s-|XIX}}.

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{{exp|-15}} m et 10{{exp|-18}} 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 du [[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]].

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références|groupe=alpha}}

=== Références ===
{{Références}}

== Voir aussi ==

{{Autres projets
|commons=Category:Atoms
|wiktionary=atome
|wikiversity=Structure de l'atome
|wikiversity titre=Structure de l'atome
}}

=== Bibliographie ===
* {{ouvrage |auteur1=Michel Chauvin |présentation en ligne=http://www.polymtl.ca/pub/doc.php?id=7874&l=fre |titre=De l'atome au nucléaire : un siècle de prouesses scientifiques et d'enjeux politiques |éditeur=Presses internationales Polytechnique |année=2009}}.
* {{ouvrage |auteur1=Bernard Fernandez |éditeur=Ellipses |titre=De l'atome au noyau : une approche historique de la physique atomique et de la physique nucléaire |EAN=978-2-340-025158 |date=2018 |présentation en ligne=https://www.eyrolles.com/Sciences/Livre/de-l-atome-au-noyau-9782340025158/}}
* {{ouvrage |auteur1=Ben Still |titre=La vie secrète des atomes - Les mystères des 118 éléments qui constituent la matière |éditeur=Dunod |année=2017}}
* {{ouvrage |langue=en |auteur1=M. Russell Wehr |auteur2=James A. Richards, {{Jr.}} |titre=Physics of the atom |éditeur=Addison-Wesley Pubishing Company}}.

=== Filmographie ===
* [http://matice02.insa-lyon.fr/40w.wmv Le roman de l'atome], documentaire

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

=== Liens externes ===
* [https://www.radiofrance.fr/franceculture/podcasts/eureka/atome-voyage-au-centre-de-la-matiere-7161541 « Atome : voyage au centre de la matière »], ''Eurêka !'', France Culture, 5 juillet 2022.
* {{en}} [http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt ''Fundamental Physical Constants – Complete Listing'']
* [[Alfred Kastler]], [http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/21/54/68/PDF/ajp-jphyscol197334C1004.pdf ''Le concept d'atome depuis cent ans''] {{pdf}}
* [http://www.atomer.fr/1/Masses_atomiques_elements_atomes.html Masses des atomes classés par ordre alphabétique], sur ''atomer.fr''
* {{en}} [http://history.hyperjeff.net/statmech_slim.html ''Sketching of History of Statistical Mechanics and Thermodynamics'']
* [http://www.astronoo.com/fr/articles/taille-des-atomes.html ''La taille des atomes''], Astronoo
* {{vidéo}} e-penser, ''L'atome'' ([https://www.youtube.com/watch?v=3iIpl6tvT7A partie 1] et [https://www.youtube.com/watch?v=v7CKK7aoj_0 partie 2]), sur YouTube

{{Palette|Tableau particules|Modèles atomiques|Éléments de la nature}}
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[[Catégorie:Atome| ]]
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