Science

La révolution de l’atome : 25 siècles pour prouver son existence


Cet article est extrait du hors-série n°191 “9 révolutions scientifiques qui transforment le monde” daté octobre/novembre 2017. Une histoire de l’atome racontée par Annie Grosman, enseignante-chercheuse à l’Institut des nanosciences de Paris (INSP-Université Pierre-et-Marie-Curie) et Hubert Krivine, physicien, ancien chercheur au laboratoire de physique théorique et modèles statistiques de l’Université d’Orsay, enseignant honoraire à l’université Pierre-et- Marie-Curie.

“La matière est composée d’atomes…” Nul ne songerait aujourd’hui à remettre en question ce qui apparaît comme une évidence – et qu’on n’est pourtant parvenu à “voir” que très récemment ! Mais on sait moins quel long cheminement a mené à la découverte de ces “briques” constitutives de l’Univers. Car des Grecs anciens à Jean Perrin (prix Nobel de physique en 1926), qui apporta la preuve définitive de leur existence, peu de théories ont connu autant de péripéties !

Les origines de l’atomisme demeurent mal connues. On fait remonter cette doctrine au philosophe présocratique Démocrite (v. 460-v. 370 avant J.-C.) et à Épicure (341-270 avant J.-C.). Mais pour retrouver un texte complet émanant directement d’un atomiste, il faut attendre le Romain Lucrèce, au 1er siècle avant J.-C., et son poème De la nature des choses. Il y décrit la matière comme constituée de corpuscules invisibles à l’oeil nu, les atomes – du grec a-tomos, insécable, indivisible -, qui se déplacent dans le vide et peuvent se combiner entre eux.

Mais cette théorie ne représente que la préhistoire de l’atomisme moderne. Purement spéculative, elle ne peut être testée par l’expérience ni donner lieu à aucune mesure. Elle s’appuie pourtant en partie sur des observations, aussi frustes dans leurs moyens que visionnaires dans leur interprétation. On retrouve ainsi chez Lucrèce une description saisissante de la danse de grains de poussière dans les rayons du soleil, qui préfigure le mouvement brownien décrit 17 siècles plus tard.

Un parfum de soufre à la Renaissance

Jusqu’à l’aube de la première révolution industrielle, l’idée atomiste va connaître une longue traversée du désert. La faute à Aristote ? Il est vrai que le grand philosophe, dont les textes feront autorité durant tout le Moyen Âge, rejetait catégoriquement la théorie de Démocrite. Au vu des maigres données alors disponibles, sa vision d’une matière continue et d’une nature ayant “horreur du vide” n’avait cependant rien d’absurde, et s’appuyait sur un raisonnement somme toute assez logique, bien qu’erroné : si les atomes se déplaçaient dans le vide, leur mouvement ne rencontrerait aucune résistance, donc ils atteindraient une vitesse infinie, ce qui est impossible. Son erreur n’apparaîtra qu’avec la physique de Galilée, selon laquelle un corps en mouvement abandonné à sa seule inertie a une vitesse constante et une accélération nulle. Pour Aristote, le mouvement n’était possible que sous l’action d’une force constante, ce qui excluait la notion d’inertie.

Une autre raison, bien plus dogmatique, explique le parfum de soufre qui entoura l’atomisme jusqu’à la Renaissance : non seulement cette théorie appuyait une philosophie matérialiste, mais elle invalidait dangereusement pure le dogme catholique de la transsubstantiation. Car comment expliquer que les atomes du pain et du vin puissent se changer en chair et en sang lors de l’eucharistie ?

Cette longue éclipse de l’idée atomiste ne fut cependant pas totale : sous sa forme philosophique et spéculative, elle eut de nombreux partisans, du mathématicien français Pierre Gassendi (1592-1655) à Galilée et Newton. Mais ce n’est qu’à la fin du 18e siècle qu’apparaît l’atomisme comme hypothèse scientifique, vérifiable par l’expérience et accessible à la mesure. C’est d’abord dans le domaine de la physique qu’elle est formulée, par le Suisse Daniel Bernoulli, en 1738. Reprenant à son compte cette hypothèse, il avance une explication brillante de la loi de Boyle-Mariotte, énoncée au siècle précédent, selon laquelle, à température constante, la pression d’un gaz diminue en proportion quand son volume augmente (et inversement). Pour Bernoulli, la pression est due à la fréquence des chocs des particules du gaz contre les parois du récipient : plus ce dernier est vaste, plus la distance à parcourir, donc l’intervalle de temps, entre deux chocs, sont grands, et plus la pression diminue. Tout au long du 19e siècle, des physiciens comme Maxwell ou Boltzmann feront appel à l’atome pour expliquer les lois de la thermodynamique, mais sans convaincre la plupart de leurs collègues.

Atome du chimiste, atome du physicien

C’est au chimiste britannique John Dalton (lire l’encadré ci-dessous) que l’on attribue, à juste titre, la paternité de l’atomisme moderne. Indépendamment de Bernoulli, dont il ne mentionne nulle part les travaux, Dalton postule en 1808 l’existence de corpuscules microscopiques qui se combinent lors des réactions. En mémoire de ses devanciers grecs, il baptise “atomes” ces particules, dont il existerait un type distinct pour chaque élément connu.

John Dalton, entre atomisme… et daltonisme

Issu d’une famille de quakers britanniques, John Dalton (1766-1844) fut un savant discret et modeste. Outre ses travaux de chimie, qui fondèrent l’atomisme moderne, il étudia notamment la maladie de la vue dont il était atteint, qui affectait sa vision des couleurs et à laquelle il laissa son nom (en français seulement, car étrangement, les Anglo-Saxons la désignent par la simple expression color blind, “aveugle aux couleurs”) : le daltonisme.

Mais cette hypothèse ne suscite que peu d’enthousiasme. Il faut avouer que, telle quelle, elle est loin d’être parfaite. En particulier, Dalton n’a pas deviné que les atomes d’un même élément pouvaient se combiner entre eux. C’est l’Italien Amedeo Avogadro (1776-1856) qui comprit ce fait en apparence anodin, mais qui permettait de résoudre les énigmes posées par de nombreuses réactions. Cependant, les fluctuations du vocabulaire desservent l’atomisme balbutiant : là où Dalton parlait d’”atomes” (“simples” ou “composés”), Avogadro ne jure que par les “molécules” (“constituantes” ou “intégrantes”). En 1833, le Français Gaudin mit un peu d’ordre dans la terminologie, en appelant atomes les constituants simples, et molécules leurs composés.

Avogadro a surtout contribué à la théorie atomique naissante par la formulation d’une loi, alors pure ment hypothétique : à température et pression constantes, des volumes égaux de différents gaz contiennent le même nombre de molécules. Mais il faudra attendre plus d’un siècle pour que cette géniale intuition soit validée par l’expérience.

Durant presque tout le 19e siècle, les partisans de la thèse atomiste s’opposèrent au scepticisme de ceux qui refusaient de juger scientifique une théorie fondée sur des entités hypothétiques. En physique, ce dernier courant était représenté par les “énergétistes”, qui préféraient continuer de raisonner en termes d’énergie que d’imaginer des particules infinitésimales de matière. En chimie, les “équivalentistes” considéraient que l’on pouvait étudier les combinaisons des différents éléments sans postuler qu’ils étaient constitués d’atomes ou de molécules. Mais leur méthode de notation par équivalents, qui consistait à choisir arbitrairement un des “ingrédients” de la réaction comme référence pour les autres (par exemple, une unité d’oxygène se combine avec deux équivalents d’hydrogène pour former un équivalent d’eau), avait aussi ses inconvénients. Elle conduisait pour certains composés à une multitude de formules et de noms (19 pour l’acide acétique !) selon l’élément choisi. Dans le contexte d’une industrie chimique en plein essor, le besoin d’une unité dans la nomenclature se faisait cruellement sentir…

En 1860, sous l’égide du grand chimiste allemand Friedrich Kekulé, est organisé à Karlsruhe ce qui fut sans doute le premier grand congrès scientifique international, destiné à trancher le débat entre atomistes et équivalentistes. Si la rencontre se conclut sur une motion de conciliation entre les deux “camps”, elle permit aux atomistes de revenir sur le devant de la scène, et surtout de communiquer entre eux. L’Italien Stanislao Canizzarro, qui s’impose à cette occasion comme leur chef de file, formule en particulier le souhait que l’on ne considère plus “l’atome du chimiste” (qui définit les éléments et leurs réactions) et “l’atome du physicien” (expliquant la thermodynamique) comme deux objets distincts – car le dialogue entre atomistes des deux disciplines était alors inexistant. Ce voeu ne resta pas lettre morte : c’est notamment en combinant les apports de la physique et de la chimie que Perrin imposera l’atomisme.

Vers la fin du 19e siècle, plusieurs méthodes ont été imaginées pour mesurer la constante d’Avogadro, soit le nombre de constituants élémentaires (atomes ou molécules) contenus dans une quantité de matière définie arbitrairement. C’est toutefois la compréhension et la mise en évidence expérimentale d’un phénomène complexe et longtemps mystérieux, le mouvement brownien, qui suscita l’adhésion quasi unanime de la communauté scientifique. L’histoire de ce véritable casse-tête, dont la solution allait en quelque sorte fournir la clé de l’atome, remonte au début du 19e siècle. En 1828, le botaniste Robert Brown remarqua que des grains de pollen en suspension dans l’eau étaient agités d’un mouvement incessant, apparemment aléatoire. Celui-ci n’était pas le fait de formes de vie microscopiques, puisqu’on pouvait aussi l’observer avec des fragments minéraux de même taille. Pendant des années, les scientifiques échouèrent à élucider ce phénomène.

Invisibles jusqu’à l’invention du microscope à effet tunnel

En 1905, Albert Einstein – qui eut décidément une année bien remplie – proposa une explication théorique du mouvement brownien faisant intervenir les atomes. Si ceux-ci sont encore invisibles même sous les plus forts grossissements offerts par les microscopes de l’époque, ils peuvent transmettre leurs mouvements à des objets intermédiaires (dits browniens), visibles au microscope optique mais assez petits pour être affectés par leurs chocs, comme les grains de pollen. En observant ce mouvement brownien dans les liquides, où les collisions sont plus fréquentes que dans les gaz, il devenait possible de l’étudier et de le mesurer. Le génie de la physique venait de trouver la voie royale qui allait mener tout droit aux atomes !

Restait encore à démontrer leur existence en validant expérimentalement cette théorie. C’est un physicien français, Jean Perrin (lire l’encadré ci-dessous), qui releva le défi. Il parvint, dès 1908, à prouver le bien-fondé de la théorie d’Einstein par une série d’expériences délicates et rigoureuses, en suivant les déplacements de particules browniennes dans plusieurs fluides (eau, glycérine) ou en mesurant leur densité à différentes hauteurs d’une colonne d’eau. Ces expériences lui permirent de déterminer le nombre d’Avogadro avec une précision satisfaisante. Du moins relativement, compte tenu de l’ordre de grandeur du nombre lui-même !

Jean Perrin, défenseur d’une science accessible

Après avoir découvert les rayons cathodiques, qui s’avéreront par la suite être un flux d’électrons, Jean Perrin consacra toute son énergie à la théorie atomique, et en particulier à la mesure du nombre d’Avogadro. Outre sa démonstration par le mouvement brownien théorisé par Einstein, il détermine ce nombre par pas moins de douze autres méthodes basées sur des phénomènes physiques de nature très différente, donnant cependant toutes le même résultat (aux incertitudes expérimentales près).

Parvenant ainsi à “expliquer du visible compliqué par de l’invisible simple”, il convainc la communauté scientifique de la réalité des atomes. Paru en 1913, son ouvrage Les Atomes, où il récapitule ses recherches dans un style limpide et accessible aux non-initiés, reste un des chefs-d’oeuvre de la littérature scientifique. Perrin joua aussi un rôle éminent dans la politique scientifique française. Sous-secrétaire d’État à la recherche sous le Front populaire, il oeuvra beaucoup pour le rayonnement de la science, en fondant notamment le palais de la Découverte en 1937 puis en donnant l’impulsion à la création du futur CNRS.

Les efforts conjugués du théoricien Einstein et de l’expérimentateur Perrin firent donc passer l’atome du rang d’hypothèse, jugée par beaucoup chimérique, à celui de fait scientifique avéré. La démonstration de Perrin est d’autant plus magistrale que les atomes demeurèrent invisibles jusqu’à l’invention du microscope à effet tunnel (1981), qui permit enfin de visualiser, et même de manipuler (lire l’encadré ci-dessous) atomes et molécules individuellement. Comme le disait Henri Poincaré en 1913 : “Les atomes ne sont plus une fiction commode ; il nous semble, pour ainsi dire, que nous les voyons depuis que nous savons les compter.”

Nanocar Race : des molécules dans les starting-blocks !

Ce n’est que vers la fin du 20e siècle, après deux mille cinq cents ans d’existence théorique, que l’atome est devenu une réalité visible et, plus récemment encore… tangible ! Car le microscope à effet tunnel, inventé en 1981, permet non seulement de visualiser la structure des atomes et des molécules – bien éloignée d’ailleurs des petites billes ou des schémas planétaires d’abord proposés pour les représenter -, mais aussi de manipuler la matière à l’échelle moléculaire : c’est ainsi que sont nées les nanosciences et les nanotechnologies. Pour démontrer les progrès effectués dans le domaine, une course de « nanovoitures », des assemblages moléculaires capables de se déplacer, a été organisée les 28 et 29 avril 2017 au laboratoire Cemes (Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales) du CNRS à Toulouse. Les six bolides moléculaires mis au point et “pilotés” par des chercheurs venus du monde entier devaient parcourir une piste de 100 nanomètres (soit 0,0000001 mètre). C’est la “nanocar” de l’équipe suisse de l’université de Bâle qui a remporté la compétition.

Une énergie considérable et incroyablement destructrice

Ironie de l’histoire : à peine l’atome s’était-il imposé que l’on découvrit qu’il n’était pas atome, mais pouvait à son tour se décomposer en constituants plus petits, les particules élémentaires ! Après la découverte des électrons en 1897, et avant que l’on comprît leur rôle, Rutherford mit en évidence en 1911 l’existence du noyau atomique. Non seulement les atomes étaient sécables, mais ils étaient constitués pour l’essentiel… de vide ! C’est alors un nouvel univers qui se révéla aux physiciens, tellement surprenant qu’il donna naissance à une théorie révolutionnaire, la mécanique quantique. Mais la dissection de la matière ne s’arrêta pas en si bon chemin : on découvrit que le noyau pouvait à son tour être divisé en nucléons (protons et neutrons), eux-mêmes formés de particules plus petites, les quarks. Comme l’avait prophétisé Jean Perrin, l’esprit des premiers atomistes se retrouve donc aujourd’hui dans la course sans cesse relancée à la recherche des particules élémentaires, dont le célèbre boson de Higgs découvert en 2012 après de longues années de traque.

La découverte de l’atome a marqué l’avènement de la chimie physique, achevant de propulser cette discipline vers sa pleine maturité. Établi en 1869 par Mendeleïev, le tableau périodique des éléments prit tout son sens dès lors que chacune de ses cases put être associée à un type d’atomes. Et la découverte de la structure atomique permit d’élucider la nature des liaisons chimiques : un partage (ou échange) d’électrons entre atomes. On comprit également, au cours du 20e siècle, que pour assurer la cohésion des particules qui les constituent, les atomes recelaient en leur sein une énergie considérable, qui pouvait être exploitée (dans les centrales nucléaires), mais aussi incroyablement destructrice (les armes atomiques).

Enfin, la confirmation de l’existence des atomes permit de justifier la thermodynamique statistique. On put ainsi expliquer les phénomènes macroscopiques, observables à notre échelle (comme la température ou la pression), par le comportement collectif de molécules, dont la quantité, défiant l’imagination, nécessitait un traitement statistique pour “suivre” leur évolution. Bernoulli avait vu juste !

 

Hubert Krivine et Annie Grosman, De l’atome imaginé à l’atome découvert. Contre le relativisme, De Boeck, 2015

Jean-Marc Lévy- Leblond, L’Atome expliqué à mes petits-enfants, Seuil, 2016

Claude Lécaille, L’Atome, chimère ou réalité ? Vuibert, 2009

Sur les nanocars : http://nanocarrace. cnrs.fr

 

LEXIQUE

Atome

C’est la plus petite unité de matière caractéristique d’un élément. Il est chimiquement indécomposable, bien que formé de particules plus petites (les particules élémentaires) dissociables par des moyens physiques.

Corps simple/corps composé

Un corps simple est constitué d’un seul élément, donc d’un seul type d’atomes (par exemple le dioxygène, O2, ou l’ozone, O3), un corps composé d’au moins deux éléments différents.

Élément

Constituant essentiel de la matière. Ce sont les corps chimiques qui ne sont plus décomposables par les méthodes d’analyse (distillation, électrolyse, etc.). Lavoisier a ainsi par exemple montré que l’eau n’était pas un élément, mais un composé d’oxygène et d’hydrogène.

Nombre (ou constante) d’Avogadro

Grandeur de référence correspondant au nombre d’atomes contenus dans 12 grammes de carbone 12, et mesurant le nombre de constituants élémentaires (atomes ou molécules) dans une quantité de matière donnée, appelée la mole. Les mesures les plus récentes l’estiment à environ 6,02214076 x 1023, soit plus de 600.000 milliards de milliards.

Tableau périodique des éléments

Classement des éléments chimiques établi en 1869 par Dimitri Mendeleïev. Les éléments y sont présentés par poids atomique croissant, chaque colonne regroupant des éléments qui présentent des propriétés similaires.

 

Propos recueillis par Ivian Kiriow

 

Cet article est extrait du hors-série n°191 “9 révolutions scientifiques qui transforment le monde” daté octobre/novembre 2017. Une histoire de l’atome racontée par Annie Grosman, enseignante-chercheuse à l’Institut des nanosciences de Paris (INSP-Université Pierre-et-Marie-Curie) et Hubert Krivine, physicien, ancien chercheur au laboratoire de physique théorique et modèles statistiques de l’Université d’Orsay, enseignant honoraire à l’université Pierre-et- Marie-Curie.

“La matière est composée d’atomes…” Nul ne songerait aujourd’hui à remettre en question ce qui apparaît comme une évidence – et qu’on n’est pourtant parvenu à “voir” que très récemment ! Mais on sait moins quel long cheminement a mené à la découverte de ces “briques” constitutives de l’Univers. Car des Grecs anciens à Jean Perrin (prix Nobel de physique en 1926), qui apporta la preuve définitive de leur existence, peu de théories ont connu autant de péripéties !

Les origines de l’atomisme demeurent mal connues. On fait remonter cette doctrine au philosophe présocratique Démocrite (v. 460-v. 370 avant J.-C.) et à Épicure (341-270 avant J.-C.). Mais pour retrouver un texte complet émanant directement d’un atomiste, il faut attendre le Romain Lucrèce, au 1er siècle avant J.-C., et son poème De la nature des choses. Il y décrit la matière comme constituée de corpuscules invisibles à l’oeil nu, les atomes – du grec a-tomos, insécable, indivisible -, qui se déplacent dans le vide et peuvent se combiner entre eux.

Mais cette théorie ne représente que la préhistoire de l’atomisme moderne. Purement spéculative, elle ne peut être testée par l’expérience ni donner lieu à aucune mesure. Elle s’appuie pourtant en partie sur des observations, aussi frustes dans leurs moyens que visionnaires dans leur interprétation. On retrouve ainsi chez Lucrèce une description saisissante de la danse de grains de poussière dans les rayons du soleil, qui préfigure le mouvement brownien décrit 17 siècles plus tard.

Un parfum de soufre à la Renaissance

Jusqu’à l’aube de la première révolution industrielle, l’idée atomiste va connaître une longue traversée du désert. La faute à Aristote ? Il est vrai que le grand philosophe, dont les textes feront autorité durant tout le Moyen Âge, rejetait catégoriquement la théorie de Démocrite. Au vu des maigres données alors disponibles, sa vision d’une matière continue et d’une nature ayant “horreur du vide” n’avait cependant rien d’absurde, et s’appuyait sur un raisonnement somme toute assez logique, bien qu’erroné : si les atomes se déplaçaient dans le vide, leur mouvement ne rencontrerait aucune résistance, donc ils atteindraient une vitesse infinie, ce qui est impossible. Son erreur n’apparaîtra qu’avec la physique de Galilée, selon laquelle un corps en mouvement abandonné à sa seule inertie a une vitesse constante et une accélération nulle. Pour Aristote, le mouvement n’était possible que sous l’action d’une force constante, ce qui excluait la notion d’inertie.

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