2400 ans de recherches de l'atome - Theresa Doud

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Comment savons-nous de quoi est constituée la matière ? La quête de l'atome a été très longue, elle a commencé il y a 2400 ans avec le travail d'un philosophe grec et s'est poursuivie plus tard grâce à un quaker et à quelques Prix Nobel de science.
Theresa Doud détaille l'histoire de la théorie atomique.

Leçon de Theresa Doud, animation par TED-Ed

Qu'est-ce qu'un philosophe antique grec

et un quaker du 19ème siècle

ont en commun avec les scientifiques
lauréats d'un Prix Nobel ?

Bien qu'ils soient séparés
par 2400 ans d'Histoire,

chacun d'eux a contribué
à répondre à cette question éternelle :

de quoi est composée la matière ?

C'est autour de 440 avant J-C que
Démocrite proposa pour la première fois

que tout dans le monde
était composé de minuscules particules

entourées de vide.

Il avait même prédit qu'elles avaient
des tailles et des formes différentes

selon la substance qu'elles composent.

Il a nommé ces particules « atomos »,
qui signifie indivisible en grec.

Ses idées étaient contraires à celles
des plus grands philosophes de son temps.

Aristote, par exemple,
était en désaccord complet,

en affirmant à la place que la matière
était composée de quatre éléments :

la terre, l'air, l'eau et le feu,

et après beaucoup de scientifiques
en ont fait autant.

Les atomes sont restés
complètement oubliés jusqu'en 1808,

quand un professeur quaker, John Dalton
a voulu défier la théorie d'Aristote.

Tandis que l'atomisme de Démocrite
était purement théorique,

Dalton prouva que les substances usuelles
se décomposent toujours en mêmes éléments

dans les mêmes proportions.

Il en conclut que les divers composés

étaient des combinaisons d'atomes
de différents éléments,

chacun ayant une taille
et une masse précise

et ne pouvant ni être créé
ni être détruit.

Bien qu'il obtint une grande renommée
pour son travail,

en tant que quaker, il vécu modestement
jusqu'à la fin de ses jours.

La théorie atomique était acceptée
à présent par la communauté scientifique,

mais l'avancement majeur suivant

ne viendra que près
d'un siècle plus tard

avec la découverte en 1897 de l'électron,
par le physicien J.J. Thompson.

Dans ce que nous pourrions appeler
le modèle « plum pudding » de l'atome,

il a représenta les atomes comme
une sphère uniforme de matière positive

avec des électrons
chargés négativement.

Thompson a gagné un prix Nobel en 1906
pour sa découverte de l'électron,

mais son modèle de l'atome
n'est pas resté très longtemps.

Et ce surtout parce qu'il avait
quelques étudiants assez futés,

dont un certain Ernest Rutherford,

qui deviendra connu
comme étant le père de l'âge nucléaire.

Tout en étudiant les effets
des rayons X sur les gaz,

Rutherford décida
d'étudier les atomes de plus près

en envoyant de petites particules alpha,
positives sur une feuille d'or.

Selon le modèle de Thompson,

la charge dispersée
de l'atome

n'est pas suffisante pour dévier
les particules dans une direction.

L'effet aurait été
comme des balles de tennis

frappant un écran de papier fin.

Mais tandis que la plupart
des particules traversèrent,

certaines rebondirent en arrière,

montrant que la feuille était plus comme
un filet épais avec une grande maille.

Rutherford en conclut que les atomes
étaient constitués surtout de vide

avec juste quelques électrons,

tandis que la majorité de la masse
était concentrée au centre,

qu'il nomma le noyau.

Les particules d'alpha
traversaient les interstices.

mais rebondissaient contre
le noyau dense chargé positivement.

Mais la théorie atomique
n'était pas encore complète.

En 1913, un autre étudiant de Thompson
du nom de Niels Bohr

développa le modèle nucléaire
de Rutherford.

En s'appuyant sur les travaux précédents
de Max Planck et d'Albert Einstein

il précisa que les électrons
tournent autour du noyau

avec des énergies et des distances fixes,
en étant capables de sauter

d'un niveau à l'autre, mais incapables
d'exister dans l'espace entre deux.

Le modèle planétaire de Bohr
occupa une place centrale,

mais bientôt, il rencontra également
quelques complications.

Les expériences montrèrent qu'au lieu
d'être juste des particules discrètes,

les électrons se comportaient
simultanément comme des ondes,

n'étant pas confinés
à un point particulier dans l'espace.

Et quand il formula
son célèbre principe d'incertitude,

Werner Heisenberg montra
qu'il était impossible de déterminer

à la fois la position
et la vitesse exactes des électrons

quand ils tournent autour d'un atome.

L'idée que les électrons
ne peuvent pas être localisés

mais existent dans
un panel d'endroits possibles

a donné naissance au modèle
quantique actuel de l'atome,

une théorie fascinante avec un tout nouvel
ensemble de complexités

dont les implications
doivent être complètement comprises.

Même si notre vision des atomes
ne cesse de changer,

le fait d'existance des atomes reste,

donc célébrons
le triomphe de la théorie atomique

avec quelques feux d'artifice.

Quand les électrons autour d'un atome
sautent entre les niveaux d'énergie,

ils absorbent ou libèrent de l'énergie
sous forme de longueurs d'onde spécifiques

ce qui produit toutes les
merveilleuses couleurs que nous voyons.

Et nous pouvons imaginer Démocrite
nous contemplant,

satisfait que deux millénaires plus tard,

il soit avéré
qu'il avait eu raison depuis le début.