Les atomes sont les constituants fondamentaux de la matière, de tous les objets qui nous entourent, inertes ou vivants. Eh oui ! Nous en sommes, nous mêmes, entièrement constitués !

Lors de ce mini-article, je vous décrirai  l'étrange fonctionnement des atomes et parlerai des nouvelles pistes, vraiment mystérieuses, explorées par les chercheurs sur la nature de ces particules minuscules !

Tout ce que vous pouvez voir et toucher est entièrement constitué de molécules. Mais ce qu'on ne peut voir l'est aussi : ce que l'on nomme "vide" ou bien même l'air, l'espace entre vos yeux et l'écran que vous regardez en ce moment, où vous lisez ces lignes, est en réalité également rempli de particules, mais sous forme gazeuse !

Petit rappel des états de la matière : solide, liquide, gazeux, et plasma (pour ce dernier, voir articles sur les étoiles) pour les plus connus.

composition des molécules : 

Les molécules sont composées de plusieurs atomes. 

Un atome est constitué d'électrons de charge électrique négative, tournant autour d'un noyau atomique. Ce noyau est lui-meme formé par des protons-chargés positivement- et des neutrons (non chargés, neutres). Ce multiple ensemble de charges électriques conduit à l'équilibre de l'atome.

Remarque : les neutrinos, les bosons ou les électrons sont  appelés des particules élémentaires. Elles sont dites "indivisibles". C'est-à-dire que, dans l'état actuel de la science, on ne connaît pas de sous-composant à ces particules.

Les nucléons sont faits de quarks. Trois quarks forment un hadron, comme un proton ou un neutron.

des particules groupées dans le modèle standard des particules élémentaires :

Dans la catégorie des particules élémentaires, il existe aussi des particules éphémères, qui, comme leur nom l'indique, ont un temps de vie réduit (deux microsecondes pour les muons, par exemple).

 Remarque : les quarks et les leptons appartiennent à une plus grande famille appelée "fermions".

machines d'expérimentation :

Pour étudier l'infiniment petit, les scientifiques utilisent de grandes machines d'expérimentation comme les accélérateurs de particules du CERN : le LHC (Grand Collisionneur de Hadrons) est le plus connu avec ses 27 kilomètres de circonférence. Le premier cyclotron fut mis en service dès 1957. Ces immenses machines permettent de recréer les conditions du Big Bang et donc de repousser les limites de notre compréhension de l'Univers. Cela passe par des théories les plus farfelues mais aussi par des découvertes majeures comme celle du boson de Higgs au LHC en 2012.

ionisation :

Un ion est une particule avec une charge électrique. C'est à dire qu'il n'a pas le même nombre d'électrons que de protons. C'est un phénomène naturel qui peut être facilement reproduit en laboratoire. Elle est à l'origine de nombreuses innovations thechniques, courant éléctrique, photoéléctricité, images numériques... Les rayons solaires (photons, voir bosons ci-dessus), par exemple, permettent l'ionisation de certaines des particules présentes dans les couches supérieures de l'atmosphère. C'est donc dans la ionosphère que se produit ce phénomène (aurore polaire).

Les forces élémentaires :

Force éléctromagnétique : véhiculé par les photons. On a longtemps crut que éléctricité et le magnétisme était deux forces bien distinctes. Mais en 1867, le physicien James Clerk Maxwell réussit à unifier ces deux théories : il découvrit l'éléctromagnétisme. Cette force est à l'origine des intéractions entre les particules chargées éléctriquement. On parle souvent de la notion de champ éléctromagnétique où l'éléctricité et le magnétisme coexistent en lignes courbes et croisées. La distance entre deux courbes définit la longueur d'ondes. La fréquence est le nombre d'oscillations par secondes de cette onde. Le spectre électromagnétique est la panoplie de longueurs existantes des ondes radios à faible longueur d'ondes (1 à 1000 mètres de longueur d'onde) au rayons gammas très énergétiques (entre 0,001 et 0,00001 nanomètres), en passant par la lumière visible. 

L'interaction forte : ne vous êtes-vous jamais demandé comment les protons sont si fortement liés dans le noyau de l'atome ? Puisque ils sont de même charge, ils devraient violemment se repousser selon les lois de l'électromagnétisme. L'explication vient de la force forte (interaction forte). Son boson est le gluon, c'est l'échange de cette particules qui lient les quarks dans les nucléons et, par force résiduelle (par extension) le noyau. Sans cette force, la matière ne pourrait pas exister. Elle est la plus intense de toutes les forces.

la force gravitationnel : la plus faible de tous que nous ressentons pourtant tous en permanence. Newton a essayé de la décrire au XVIIIème siècle avec sa théorie de la gravitation universelle, mais de manière incomplète. En 1915 la solution semble apparaître avec la théorie de la relativité générale d'Einstein mais encore une fois il y a un hic : elle ne correspond pas avec l'interprétation de la physique quantique. En effet, pour Einstein, il n'y a pas de particule qui véhicule cette interaction et sa vision générale est à l'opposé de celle de la physique quantique, comme l'est l'infiniment grand et l'infiniment petit. La relativité demeure tout de même la théorie la plus complète et la plus séduisante de la gravitation et de l'Univers dont nous disposons à ce jour.

interaction faible : c'est la force par laquelle les particules composites (non-élémentaires) se stabilise en se désintégrant. En d'autres termes, la radioactivité. Il existe 3 types de désintégration : alpha, bêta et gamma :

*désintégration alpha (α) : une particule alpha composée de 2 protons et de 2 neutrons est émise par un noyau atomique instable, se rééquilibrant ainsi énergétiquement. Les particules alpha ont une grande masse et sont donc facilement arrêtable par la matière (une feuille de papier suffit, voir image ci-dessous).

*desintégration bêta moins (β⁺) : production d'un électron et d'un antineutrino.

et bêta plus (β^-) : un neutron se désintègre pour former un proton. Un neutron est plus énergétique qu'un proton. Par conséquent, d'autres particules sont produites lors de cette transformation : d'abord le boson W, qui se désintègre ensuite en un positron et un antineutrino.

*désintégration gamma (γ) : un noyau, excité par un surplus d'énergie, relâche un photon de très courte longueur d'ondes (rayon gamma).

*désintégration gamma (γ) : un noyau, excité par un surplus d'énergie, relâche un photon de très courte longueur d'ondes (rayon gamma). Ce surplus d'énergie peut avoir été causé par l'arrivée d'un neutron ou par l'énergie résiduelle d'une désintégration. C'est la désintégration la plus énergétique et donc la plus dangereuses.

Dans le cas d'une explosion d'une explosion nucléaire, la dangerosité ne provient pas d'une désintégration mais d'une chaîne de désintégration. Par exemple, l'uranium 235 subit 14 désintégration avant sa stabilisation : 8 bêtas et 6 gammas.