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Atome

Propriétés

Noyaux atomiques

Moment magnétique nucléaire

Précession de Larmor d'un proton soumis à un champ magnétique B0.

Les particules élémentaires possèdent un nombre quantique (Un nombre quantique est, en mécanique quantique, un élément d'un jeu de nombres permettant de définir l'état quantique complet d'un système. Chaque nombre quantique définit la valeur d'une...) appelé spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa...) analogue à un moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le...) et mesuré en unités de constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour décrire la taille des quanta. Elle joue un rôle central dans la mécanique quantique et a...) réduite (parfois appelée « constante de Dirac ») désignée par le symbole ħ, qui se lit « h barre ». C'est également le cas des protons et des neutrons du noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite que...), 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 nucléides ayant à la fois un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) pair de protons et un nombre pair de neutrons.

Cette propriété est mise à profit en imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La...) par résonance magnétique (IRM), fondée sur la résonance magnétique nucléaire (RMN) : un matériau soumis d'une part à un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) électromagnétique, et d'autre part à un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique intense (de l'ordre du tesla) qui oriente les noyaux atomiques dans une direction privilégiée (mais en les séparant en deux populations correspondant aux deux sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par...) 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 radiofréquences pour les champs magnétiques ne dépassant pas 20 T.

Énergie de liaison nucléaire

Énergie de liaison nucléaire par nucléon en fonction du nombre de masse (Le nombre de masse (A) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de nucléons du noyau d'un atome.) des isotopes principaux. Les pics correspondent à des noyaux constitués uniquement de particules alpha

La liaison nucléaire est généralement décrite comme une manifestation résiduelle entre nucléons de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) nucléaire forte qui maintient ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) les quarks 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-volts par nucléon, partant de 0 (par définition) pour le protium 1H pour atteindre 7,57 MeV/A avec l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le...) 238 en passant par un maximum à 8,795 MeV/A pour le nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) 62. Cette propriété fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) explique pourquoi ce sont uniquement les atomes légers qui libèrent de l'énergie par fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules...) nucléaire tandis que ce sont uniquement les atomes lourds qui libèrent de l'énergie par fission nucléaire :

  • La fusion nucléaire survient lorsque des nucléons 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 étoiles jusqu'au nickel 56, au niveau duquel s'arrête la nucléosynthèse stellaire ; le 56Ni étant instable, il se désintègre en fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous...) 56, qui est stable. La nucléosynthèse ne se poursuit pas au-delà du nickel car le nucléide qui serait alors formé, le 60Zn, a une énergie de liaison nucléaire par nucléon inférieure à celle du 56Ni, et sa formation consommerait de l'énergie au lieu d'en libérer : c'est essentiellement à la toute fin de vie (La vie est le nom donné :) des étoiles, même de taille modeste, et particulièrement lors de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation...) en supernovae des grosses étoiles, que les élements 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 produits de fission alors il y a libération d'énergie : c'est le cas pour les noyaux plus massifs que ceux du nickel 62 ; l'uranium et le plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que...), par exemple, sont dans ce cas.

Stabilité nucléaire

La physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) des noyaux atomiques est gouvernée par les trois interactions fondamentales du modèle standard de la physique des particules : l'interaction forte, l'interaction faible et l'l'interaction électromagnétique. Chaque noyau atomique est défini par le nombre de protons et de neutrons qu'il contient, ainsi que par son énergie totale, l'ensemble définissant les différents « arrangements » des 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 (Activation peut faire référence à :), fournie, dans le cas des noyaux atomiques, par les fluctuations du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) 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 (Z = 20), les éléments chimiques ont des isotopes stables pour lesquels le nombre N de neutrons est à peu près égal au nombre Z de protons, tandis qu'au-delà de Z = 20 le ratio N/Z tend vers 3/2. Les isotopes instables, appelé radioisotopes, connaissent une désintégration radioactive qui leur permet de se rapprocher d'un état de plus grande stabilité.

Radioactivité

La vallée de stabilité des nucléides diverge de la diagonale (On appelle diagonale d'un polygone tout segment reliant deux sommets non consécutifs (non reliés par un côté). Un polygone à n côtés possède diagonales.) N = Z dès 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 :

  • Désintégration α : le noyau atomique émet une particule α 4He pour s'alléger et, notamment, réduire son numéro atomique (et donc sa charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui...) électrique). Ceci concerne surtout les noyaux lourds.
  • Désintégration β : il en existe plusieurs variantes, la principale étant l'émission d'un électron et d'un antineutrino électronique par un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants...) converti en proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) sous l'effet de l'interaction faible (désintégration β-) ; ceci concerne les noyaux riches en neutrons. La réaction inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) est également possible : émission d'un positon et d'un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) électronique par un proton converti en neutron (désintégration β+) ; ceci concerne les noyaux riches en protons. La capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à sa...) électronique est une autre forme de désintégration β+, 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 β (le 48Ca donnant du 48Ti) et double capture électronique (le 78Kr donnant du 78Se par exemple) sont particulièrement rares, car ils impliquent respectivement deux neutrons et deux protons simultanément.
  • Émission γ : le noyau atomique se trouve dans un état excité, un ou plusieurs de ses nucléons occupant des niveaux d'énergie supérieurs à ceux de l'état fondamental : un ou plusieurs photons γ sont émis au cours de la relaxation du noyau. Ceci est observé notamment lors d'une transition isomérique (le 99mTc donnant du 99Tc, 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 Z2/A est au moins égal à 45 (c'est par exemple le cas du 252Cf).
  • Radioactivité de clusters : il s'agit d'un mode de désintégration toujours marginal (Marginal (sous-titrée Anthologie de l'imaginaire) est une collection des éditions OPTA, vouée aux anthologies thématiques de science-fiction.), ayant un rapport de branchement de l'ordre de 10-10 (avec l'exception notable du 114Ba émettant du 12C), 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 (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il...) électronique en vertu de la probabilité non nulle qu'un tel électron se trouve dans le noyau.

Chaque radioisotope (Les radioisotopes, radionucléides ou radioéléments, contraction de radioactivité et d'isotope, sont des atomes dont le noyau...) est caractérisé par une période radioactive, qui correspond au temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) nécessaire pour que la moitié des atomes de cet isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le...) se soit désintégrée. Un même nucléide peut connaître plusieurs modes de désintégration, la proportion relative de chacun de ces modes étant appelée rapport de branchement.

Îlot de stabilité

Localisation théorique de l'îlot de stabilité.

Certaines théories extrapolent les résultats du modèle en couches et les propriétés des nombres magiques en prédisant l'existence d'un îlot de stabilité parmi les nucléides superlourds, pour un nombre magique de 184 neutrons et — selon les théories et les modèles — 114, 120, 122 ou 126 protons. Une approche plus moderne de la stabilité nucléaire montre toutefois, par des calculs fondés sur l'effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel,...), que, si de tels noyaux superlourds doublement magiques seraient probablement stables du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de la fission spontanée, ils devraient cependant connaître des désintégrations α avec une période radioactive de quelques microsecondes. Un îlot de relative stabilité pourrait néanmoins exister autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) du darmstadtium 293, correspondant aux nucléides définis par Z compris entre 104 et 116, et N compris entre 176 et 186 : ces éléments pourraient avoir des isotopes présentant des périodes radioactives atteignant quelques minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ;...).

Limite à la taille des noyaux

Le plus lourd des nucléides synthétisés jusqu'à présent est l'isotope 294118 et les recherches se poursuivent au GSI afin de produire l'isotope 302120. On ignore précisément jusqu'à combien de nucléons un noyau atomique peut contenir : on estime habituellement la limite d'observabilité expérimentale à environ Z ≈ 130 et la limite théorique à Z = 173 : un 174ème proton (ou neutron) conférerait à la couche nucléaire 1s1/2 une énergie de – 511 keV, égale à la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) au repos d'un électron ou d'un positron ; un tel noyau serait donc instable par rapport à la désintégration β.

Nuage électronique

Si les propriétés nucléaires de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) (masse, énergie nucléaire, radioactivité...) relèvent de la physique, et particulièrement de la physique nucléaire et de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes...), les propriétés des nuages électroniques des atomes (taille, énergie d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant...), conductivité électrique, valence...) relèvent essentiellement de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...) et de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour...) des matériaux.

Taille des atomes

Le nuage électronique d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant...) n'a pas de dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est...) bien définies car il consiste en une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de mouvement etc.)) d'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 (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun...) 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 (métallique, covalente, ionique...). 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 cristallines, ou aux mesures effectuées sur des molécules :

H
53
  He
31
Li
167
Be
112
  B
87
C
67
N
56
O
48
F
42
Ne
38
Na
190
Mg
145
  Al
118
Si
111
P
98
S
88
Cl
79
Ar
71
K
243
Ca
194
  Sc
184
Ti
176
V
171
Cr
166
Mn
161
Fe
156
Co
152
Ni
149
Cu
145
Zn
142
Ga
136
Ge
125
As
114
Se
103
Br
94
Kr
88
Rb
265
Sr
219
  Y
212
Zr
206
Nb
198
Mo
190
Tc
183
Ru
178
Rh
173
Pd
169
Ag
165
Cd
161
In
156
Sn
145
Sb
133
Te
123
I
115
Xe
108
Cs
298
Ba
253
 *  Lu
217
Hf
208
Ta
200
W
193
Re
188
Os
185
Ir
180
Pt
177
Au
174
Hg
171
Tl
156
Pb
154
Bi
143
Po
135
At
n.d.
Rn
120
Fr
n.d.
Ra
n.d.
 *  Lw
n.d.
Rf
n.d.
Db
n.d.
Sg
n.d.
Bh
n.d.
Hs
n.d.
Mt
n.d.
Ds
n.d.
Rg
n.d.
Cn
n.d.
Uut
n.d.
Uuq
n.d.
Uup
n.d.
Uuh
n.d.
Uus
n.d.
Uuo
n.d.
   
  * La
n.d.
Ce
n.d.
Pr
n.d.
Nd
n.d.
Pm
n.d.
Sm
n.d.
Eu
n.d.
Gd
n.d.
Tb
n.d.
Dy
n.d.
Ho
n.d.
Er
n.d.
Tm
n.d.
Yb
n.d.
 
  * Ac
n.d.
Th
n.d.
Pa
n.d.
U
n.d.
Np
n.d.
Pu
n.d.
Am
n.d.
Cm
n.d.
Bk
n.d.
Cf
n.d.
Es
n.d.
Fm
n.d.
Md
n.d.
Nb
n.d.
 
 
  Tableau périodique des éléments indiquant leur rayon atomique théorique en picomètres  

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 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 (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 métaux de transition des cinquième et sixième périodes ont des tailles à peu près égales : à peine deux picomètres de plus pour le hafnium et le tantale que pour le zirconium et le niobium ; il s'ensuit une augmentation sensible de la masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité...) des métaux correspondants, par exemple 6,5 et 13,3 g/cm3 respectivement pour le zirconium et le hafnium — soit plus qu'un doublement.

Liaisons chimiques

Modèle de molécule de théobromine, un alcaloïde important du chocolat. Les couleurs des atomes sont conventionnelles :
  - noir ou anthracite pour le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.)
  - bleu pour l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2,...)
  - rouge pour l'oxygène
  - blanc ou gris clair pour l'hydrogène.

L'une des propriétés les plus remarquables des atomes est leur propension à former toute une variété de liaisons chimiques avec d'autres atomes, afin de constituer des édifices moléculaires, des cristaux, voire des agrégats atomiques (clusters, « superatomes »). Ces liaisons résultent du recouvrement (Un recouvrement d'un ensemble X est un ensemble P de sous-ensembles non vides de X tel que l'union de ces sous-ensembles soit égal à X. Autrement dit P...) d'orbitales atomiques appartenant à deux atomes pour former une orbitale moléculaire occupée par deux électrons 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 réactivité chimique des atomes dépend du nombre d'électrons qu'ils possèdent dans leurs sous-couches électroniques périphériques (sous-couches s et p) — les 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 1s, 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 2p, 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 2p, est tétravalent. Les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) rares les plus légers tels que l'hélium et le néon, avec respectivement deux électrons dans la sous-couche 1s et six électrons dans la sous-couche 2p, sont à peu près inertes chimiquement car leur configuration électronique est déjà saturée d'électrons de valence — mais il existe une chimie des gaz rares concernant les gaz rares plus lourds, qui présentent une réactivité chimique non nulle en raison de l'écrantage du noyau par les 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 (L'iode est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole I et de numéro atomique 53.) de la molécule I2 n'est que de 151 kJ/mol, mais atteint 436 kJ/mol pour la molécule H2, 498 kJ/mol pour O2, et 945 kJ/mol pour N2.

Nature métallique, semiconductrice et isolante d'un matériau selon la théorie des bandes.

Un autre type de liaison chimique s'observe dans les 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 groupements fonctionnels riches en électrons, tels que des dérivés oxygénés ou azotés. De même, une molécule ayant un atome d'hydrogène acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) peut former une liaison faible (de 5 à 20 kJ/mol) avec un atome électronégatif ayant des doublets non liants. Enfin, l'interaction des moments dipôlaires de deux atomes est à l'origine de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) de van der Waals, dont la force est du même ordre de grandeur que celle de la liaison hydrogène.

Électronégativité et affinité électronique

Compte tenu de leur configuration électronique, certains atomes auront davantage tendance que d'autres à attirer des électrons en formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la...) des liaisons chimiques covalentes. Cette propriété est appelée l'électronégativité d'un atome. Elle dépend en premier lieu de leur nombre de masse et, corrélativement, de l'intensité de la liaison entre le noyau atomique et des 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. D'autres méthodes d'évaluation donnent des résultats légèrement différents, mais toutes révèlent les mêmes tendances à travers le tableau périodique.

H
2,20
  He
n.d.
Li
0,98
Be
1,57
  B
2,04
C
2,55
N
3,04
O
3,44
F
3,98
Ne
n.d.
Na
0,93
Mg
1,31
  Al
1,61
Si
1,90
P
2,19
S
2,58
Cl
3,16
Ar
n.d.
K
0,82
Ca
1,00
  Sc
1,36
Ti
1,54
V
1,63
Cr
1,66
Mn
1,55
Fe
1,83
Co
1,88
Ni
1,91
Cu
1,90
Zn
1,65
Ga
1,81
Ge
2,01
As
2,18
Se
2,55
Br
2,96
Kr
3,0
Rb
0,82
Sr
0,95
  Y
1,22
Zr
1,33
Nb
1,6
Mo
2,16
Tc
1,9
Ru
2,2
Rh
2,28
Pd
2,20
Ag
1,93
Cd
1,69
In
1,78
Sn
1,96
Sb
2,05
Te
2,1
I
2,66
Xe
2,6
Cs
0,79
Ba
0,89
 *  Lu
1,27
Hf
1,3
Ta
1,5
W
2,36
Re
1,9
Os
2,2
Ir
2,20
Pt
2,28
Au
2,54
Hg
2,0
Tl
1,62
Pb
2,33
Bi
2,02
Po
2,0
At
2,2
Rn
2,2
Fr
0,7
Ra
0,9
 *  Lw
1,3
Rf
n.d.
Db
n.d.
Sg
n.d.
Bh
n.d.
Hs
n.d.
Mt
n.d.
Ds
n.d.
Rg
n.d.
Cn
n.d.
Uut
n.d.
Uuq
n.d.
Uup
n.d.
Uuh
n.d.
Uus
n.d.
Uuo
n.d.
   
  * La
1,1
Ce
1,12
Pr
1,13
Nd
1,14
Pm
1,13
Sm
1,17
Eu
1,2
Gd
1,2
Tb
1,1
Dy
1,22
Ho
1,23
Er
1,24
Tm
1,25
Yb
1,1
 
  * Ac
1,1
Th
1,3
Pa
1,5
U
1,38
Np
1,26
Pu
1,28
Am
1,13
Cm
1,28
Bk
1,3
Cf
1,3
Es
1,3
Fm
1,3
Md
1,3
Nb
1,3
 
 
  Tableau périodique des éléments indiquant leur électronégativité selon l'échelle de Pauling  

La lecture de ce tableau permet de dégager deux tendances principales :

  • Lorsqu'on parcourt de haut en bas une colonne du tableau, l'électronégativité diminue car les électrons de valence sont séparés du noyau par un nombre croissant de 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, l'électronégativité est minimale à gauche et maximale à droite ; cela provient du fait que les alcalins ont plutôt tendance à perdre un électron qu'à en gagner pour acquérir la configuration électronique d'un gaz rare, tandis que les halogènes ont fortement tendance à gagner un électron pour saturer leur 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 (Le radon est un élément chimique du tableau périodique de symbole Rn et de numéro atomique 86. C'est un gaz rare, radioactif, d'origine naturelle, qui est...) est trop radioactif pour présenter une chimie significative.

L'électronégativité n'est pas une notion atomique absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à température ambiante ou plus généralement par chauffe,...), 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 (Une grandeur physique est un ensemble d'unités de mesure, de variables, d'ordres de grandeur et de méthodes de mesure (qui sont l'objet de la métrologie) lié à un aspect ou phénomène particulier...) mesurable, contrairement à l'électronégativité.

H
73
  He
*
Li
60
Be
*
  B
27
C
122
N
*
O
141
F
328
Ne
*
Na
53
Mg
*
  Al
42
Si
134
P
72
S
200
Cl
349
Ar
*
K
48
Ca
2
  Sc
18
Ti
8
V
51
Cr
65
Mn
*
Fe
15
Co
64
Ni
112
Cu
119
Zn
*
Ga
41
Ge
119
As
79
Se
195
Br
324
Kr
*
Rb
47
Sr
5
  Y
30
Zr
41
Nb
86
Mo
72
Tc
*
Ru
101
Rh
110
Pd
56
Ag
126
Cd
*
In
39
Sn
107
Sb
101
Te
190
I
295
Xe
*
Cs
46
Ba
14
 *  Lu
33
Hf
n.d.
Ta
31
W
79
Re
*
Os
104
Ir
150
Pt
205
Au
223
Hg
*
Tl
36
Pb
35
Bi
91
Po
n.d.
At
n.d.
Rn
*
Fr
n.d.
Ra
n.d.
 *  Lw
n.d.
Rf
n.d.
Db
n.d.
Sg
n.d.
Bh
n.d.
Hs
n.d.
Mt
n.d.
Ds
n.d.
Rg
n.d.
Cn
n.d.
Uut
n.d.
Uuq
n.d.
Uup
n.d.
Uuh
n.d.
Uus
n.d.
Uuo
n.d.
   
  * La
45
Ce
92
Pr
n.d.
Nd
n.d.
Pm
n.d.
Sm
n.d.
Eu
n.d.
Gd
n.d.
Tb
n.d.
Dy
n.d.
Ho
n.d.
Er
n.d.
Tm
99
Yb
n.d.
 
  * Ac
n.d.
Th
n.d.
Pa
n.d.
U
n.d.
Np
n.d.
Pu
n.d.
Am
n.d.
Cm
n.d.
Bk
n.d.
Cf
n.d.
Es
n.d.
Fm
n.d.
Md
n.d.
Nb
n.d.
 
 
  Tableau périodique des éléments indiquant leur affinité électronique en kJ/mol.  

Les valeurs représentées par un astérisque dans le tableau ci-dessus sont voisines de zéro d'après l'interprétation 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) de même la plus élevée pour les halogènes et sensiblement plus faible pour les métaux alcalins et, surtout, alcalino-terreux.

Magnétisme

Orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) des moments magnétiques des atomes dans un matériau ferromagnétique.
Lévitation par effet Meissner (L'effet Meissner est l'exclusion totale de tout flux magnétique de l'intérieur d'un supraconducteur. Il a été découvert par Walther Meissner et Robert Ochsenfeld en 1933 et est souvent appelé...) d'un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des...) au-dessus d'un matériau supraconducteur refroidi à l'azote liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.).

Comme les nucléons, 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 (En physique, en mécanique quantique, dans le modèle de Bohr, les cases quantiques sont les places dans les orbitales atomiques qui peuvent être...) 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 ions qui ont un nombre impair d'électrons ont par conséquent un moment magnétique résultant non nul provenant du spin de leurs électrons.

Les matériaux ferromagnétiques ont la particularité d'orienter dans la même direction les moments magnétiques de leurs atomes par interaction d'échange, ce qui génère un champ magnétique macroscopique : c'est le cas, par exemple, de la magnétite Fe3O4. Certains matériaux orientent au contraire les moments magnétiques de leur atomes dans des directions alternativement opposées, ce qu'on appelle « antiferromagnétisme ».

Les matériaux 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-couches d et f ont des propriétés magnétiques intenses car ces électrons sont fortement localisés ; en particulier, les lanthanides font des aimants particulièrement puissants en raison de leur moment magnétique induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en...) par jusqu'à sept électrons non appariés — notamment le néodyme et le samarium. Il existe une méthode d'analyse spectroscopique sous champ magnétique analogue à la résonance magnétique nucléaire (RMN) qui fait intervenir le spin des électrons au lieu de celui des 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, le bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.) et surtout les matériaux supraconducteurs (effet Meissner).

Fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut servir à...) et phosphorescence

Un électron d'un atome peut être excité par absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux...) d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) incident, ce qui le fait occuper une orbitale atomique d'énergie supérieure à celle de son état fondamental. De nombreuses molécules aromatiques ou présentant des liaisons π 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 :

Un exemple de phosphorescence : poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de...) de silicate-aluminate de strontium dopé à l'europium vu en lumière visible, dans le proche ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.), et dans l'obscurité totale.
  • La fluorescence consiste en l'émission, par un atome excité, d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) 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 20 ns : la fluorescence cesse donc dès que l'éclairage cesse. La longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) 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 lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.).
  • La phosphorescence diffère de la fluorescence en ce que la relaxation fait intervenir un état triplet entre les deux états singulets que sont l'état excité et l'état fondamental. Un électron excité dans un état singulet peut passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) 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 quantique, notamment grâce à des couplages spin-orbite, mais demeurent cinétiquement très défavorisées, ce qui explique que la phosphorescence soit un phénomène pouvant persister pendant, parfois, plusieurs heures (L'heure est une unité de mesure  :).

Raies spectrales

Spectre continu
Raies d'émission
Raies d'absorption

L'interaction d'atomes avec un rayonnement électromagnétique peut également se traduire par l'apparition de raies d'absorption ou d'émission à certaines longueurs d'onde particulières sur un spectre par ailleurs continu. Ces longueurs d'onde correspondent à l'énergie de transition entre couches électroniques et 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 (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui va ».), et même chaque molécule ou radical libre, possède ainsi une signature spectrale caractéristique, très employée par exemple en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers...) pour détecter leur présence et déterminer leur concentration dans le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement...), voire l'espace intergalactique : la disposition des raies spectrales, leur éventuel décalage (décalage vers le rouge), leur largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En...), 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.

Exemple de spectre d'absorption.
  • La présence d'un champ magnétique dans le milieu analysé peut être détectée par effet Zeeman (L'effet Zeeman est un phénomène physique, découvert par Pieter Zeeman, physicien néerlandais qui reçut le prix Nobel de physique en 1902.), qui scinde une raie spectrale (Une raie spectrale est une ligne sombre ou lumineuse dans un spectre électromagnétique autrement uniforme et continu. Les raies spectrales sont le résultat de l'interaction entre un...) 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 (On distingue :) radiale du milieu étudié par rapport à l'observateur peut être déterminée par le décalage des raies spectrales vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) (éloignement) ou vers le bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte...) (rapprochement) par effet Doppler-Fizeau : c'est un résultat très utile en astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue...) pour évaluer la distance d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) à partir de son « redshift » en appliquant la loi de Hubble (En astronomie, la loi de Hubble énonce que les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse (approximativement, voir ci-dessous)...).

États de la matière

Lampe à plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui...), objet de décoration très en vogue dans les années 1980. La lumière est émise lors de la recombinaison des électrons avec les cations du plasma, soulignant le phénomène de filamentation du courant dans le globe.

La matière baryonique peut exister à l'état solide, liquide ou gazeux selon sa température et sa pression : les transitions entre ces états surviennent à des niveaux de température et de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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 cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de...) (une mésophase) sont un état intermédiaire entre solide et liquide.

Il existe par ailleurs des états de la matière moins courants sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) et qui dérivent des précédents :

  • Les 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 étoiles sont entièrement à l'état de plasma, le milieu interplanétaire du système solaire est balayé par le vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le Soleil, on...), qui est un plasma, et des plasmas constituent l'essentiel du milieu interstellaire et de l'espace intergalactique. Sur Terre, les éclairs sont également des plasmas, de même que les aurores polaires.
  • Les condensats de Bose-Einstein sont des gaz de bosons (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 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 supersolides seraient un état non confirmé de la matière aux atomes ordonnés comme un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide dont le...) mais dont les lacunes se comporteraient comme un condensat de Bose-Einstein (Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une température suffisamment basse, caractérisé par une fraction macroscopique d'atomes dans l'état...) superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première fois en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa, simultanément avec, semble-t-il, John F....).
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