L’atome et le tableau périodique : les briques de tout ce qui existe

L'idée

Prends un morceau de sucre et casse-le en deux, puis encore en deux, et encore. Peut-on continuer pour toujours ? Il y a environ 2 400 ans, en Grèce, le philosophe Démocrite pensait que non : il imaginait des grains si petits qu'on ne pourrait plus les couper. Il les appela atomes, d'un mot grec qui veut dire « qu'on ne peut pas couper ».

Aujourd'hui, on sait qu'il avait en partie raison. Toute la matière est faite d'atomes. Un atome est minuscule : environ un dix-millionième de millimètre. Une seule goutte d'eau en contient plusieurs milliers de milliards de milliards.

Mais l'atome, lui, se coupe ! Il a un noyau au centre, fait de protons et de neutrons, et autour de ce noyau tournent des électrons, beaucoup plus légers. C'est le nombre de protons qui fait l'identité d'un atome : 1 proton, c'est de l'hydrogène ; 6, du carbone ; 8, de l'oxygène ; 79, de l'or.

Une expérience à faire

Prends une bande de papier de 10 centimètres. Coupe-la en deux, garde une moitié, coupe-la encore en deux. Après 5 ou 6 coupes, tes ciseaux n'y arrivent plus. Pour arriver à la taille d'un atome, il faudrait continuer environ 30 fois !

Autre image : si un atome avait la taille d'un stade de football, son noyau serait une petite bille posée au milieu du terrain, et les électrons voleraient tout autour, jusqu'aux tribunes. Un atome est donc surtout fait… de vide.

L'histoire de la découverte

Les éléments. Pendant des siècles, on a cherché les « éléments », ces matières qu'on ne peut pas décomposer en matières plus simples. Vers 1808, l'Anglais John Dalton propose que chaque élément corresponde à une sorte d'atome, avec son propre poids.

Le tableau de Mendeleïev. En 1869, en Russie, le chimiste Dmitri Mendeleïev connaît une soixantaine d'éléments. Il les range par poids croissant et remarque que leurs propriétés reviennent à intervalles réguliers, comme les jours de la semaine. Il les place donc en lignes et en colonnes : c'est le tableau périodique. Son coup de génie : quand un élément ne rentre pas, il laisse une case vide et annonce qu'on découvrira un jour l'élément manquant. Il décrit même à l'avance ses propriétés. En 1875, le Français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran découvre le gallium, qui ressemble beaucoup à ce que Mendeleïev avait prévu. Le tableau n'était pas un simple rangement : il permettait de prévoir.

L'intérieur de l'atome. En 1897, le Britannique J. J. Thomson découvre l'électron : l'atome n'est donc pas insécable. Vers 1909, dans l'équipe d'Ernest Rutherford, on envoie de minuscules projectiles sur une feuille d'or très fine. Presque tous la traversent, mais quelques-uns rebondissent, comme une balle qui rebondirait sur une feuille de papier. Rutherford en conclut en 1911 qu'il y a au centre de l'atome un noyau très petit et très lourd. En 1932, James Chadwick découvre le neutron.

Les derniers venus. Des scientifiques ont ensuite fabriqué en laboratoire des éléments qui n'existent pas dans la nature. Les quatre derniers ont reçu leur nom officiel le 28 novembre 2016 : nihonium, moscovium, tennessine et oganesson. Le tableau compte aujourd'hui 118 éléments.

Ce que cela change pour nous

Connaître les atomes, c'est comprendre pourquoi le fer rouille, pourquoi le sel se dissout, pourquoi le bois brûle. C'est la base de la chimie : fabriquer des médicaments, des engrais, des plastiques, des piles de téléphone. Le tableau périodique est affiché dans presque toutes les salles de sciences du monde, de Kinshasa à Tokyo, parce qu'il résume en une page ce que l'humanité sait de la matière.

Il aide aussi à chercher : le cobalt, le cuivre ou le lithium des batteries sont des éléments du tableau, et savoir où ils se trouvent et comment ils réagissent est le métier des chimistes et des géologues.

Pour aller plus loin

• Pourquoi la même matière peut être solide, liquide ou gaz : les états de la matière.
• La chercheuse qui a ajouté deux éléments au tableau, le polonium et le radium : Marie Curie.
• Ce qui se passe quand on casse un noyau d'atome : l'énergie nucléaire.