La Matière

La notion de matière peut paraître complexe. Et pourtant les éléments essentiels (atome, molécule, antimatière...) sont simples à comprendre. En voici la preuve !

Lors du Big Bang, les protons, neutrons et électrons se sont combinés pour former les atomes simples. © Seven Portraits nc 30

De quoi est faite la matière ?

Si l'on prend un morceau de fer et qu'on le divise en morceaux de plus en plus petits, il arrivera un moment où il ne sera plus possible de le diviser. Ce plus petit morceau de fer possible est l'atome de fer. Un atome de fer peut être divisé mais les morceaux qui restent après la division ne sont plus du fer (on obtient un noyau et des électronsélectrons)...

Si l'on prend de l'eau et qu'on la divise en parties de plus en plus petites, il arrivera aussi un moment où il ne sera plus possible de la diviser. La plus petite partie d'eau possible est la molécule d'eau. La molécule d'eau peut être divisée mais les parties restantes après la division ne sont plus de l'eau : ce sont un atome d'oxygèneoxygène et deux atomes d'hydrogènehydrogène (la molécule d'eau est donc notée H₂O)...

Ainsi, il est possible de faire de l'eau avec de l'oxygène et de l'hydrogène, au cours d'une réaction chimiqueréaction chimique. Par contre, il n'est pas possible de faire du fer par une réaction chimique (mais il est possible d'extraire du fer d'une molécule qui en contient).

Molécule d'eau. © DR

Une molécule est donc un assemblage de plusieurs atomes. Certains corps, tels que l'eau, sont des corps composéscorps composés, leur plus petite partie est une molécule, d'autres, comme le fer, sont des corps purscorps purs, leur plus petite partie est un atome. La chimiechimie permet de faire des corps composés à partir de corps purs, mais pas de faire des corps purs à partir d'autres corps purs...

Un peu d'histoire...

Les Grecs anciens, et en particulier Démocrite, avaient déjà imaginé que la matière devait être discrète et non continue, c'est-à-dire qu'elle ne peut pas être divisée indéfiniment. Ils avaient ainsi postulé l'existence de grains de matière indivisibles qu'ils appelèrent atomes (atomos en grec signifie insécable). Néanmoins, pendant des siècles, l'idée généralement admise était que toute matière pouvait être formée à partir de quatre éléments fondamentaux : l'eau, l'airair, la terre et le feufeu...

Les notions modernes d'éléments et d'atomes sont apparues plus tard avec les débuts de la chimie. La notion d'élément telle qu'elle est connue actuellement a été définie en 1661 par Robert Boyle. Ensuite, John DaltonJohn Dalton en 1808 et AvogadroAvogadro en 1811 élaborèrent la notion d'atome et de molécule afin d'expliquer les réactions chimiques, mais ce schéma ne fut adopté officiellement qu'en 1860.

Il fallut attendre la fin du XIX^e siècle pour que l'atome soit aussi étudié par les physiciensphysiciens et pas seulement par les chimistes.

Qu'est-ce que le nombre atomique ?

Le nombre atomique est ce qui permet de différencier les atomes entre eux, il est égal au nombre d'électrons ou de protonsprotons contenus dans cet atome.

Par exemple, le nombre atomique du fer est 26, celui de l'oxygène est 8 et celui de l'hydrogène est 1. Ce nombre permet de ranger les atomes dans une table, appelée table périodique des éléments :

La table périodique des éléments. Chaque case correspond à un atome différent avec son symbole (Fe pour fer, O pour oxygène, H pour hydrogène...) et son nombre atomique. © DR

Combien y a-t-il d'atomes différents ?

En principe, il y a une infinité d'atomes différents, puisque le nombre atomique peut varier de 1 à l'infini ! En pratique, le nombre d'atomes connus actuellement est d'environ 112, les plus répandus sont ceux qui ont un nombre atomique faible, en particulier, l'hydrogène est le corps le plus abondant (75 % des atomes) dans l'universunivers. La plupart des atomes de nombre atomique élevé ont été créés par réactions nucléairesréactions nucléaires et se désintègrent très rapidement, on ne peut donc pas les trouver dans la nature...

Comment sont créés les éléments ?

Les divers éléments qui existent dans la nature n'ont pas été créés au début de l'univers mais sont principalement créés dans les étoilesétoiles.

Lors du Big BangBig Bang (le début de l'univers), les protons, neutronsneutrons et électrons se sont combinés pour former les atomes simples, essentiellement l'hydrogène et l'héliumhélium, mais aussi en plus faible quantité le lithiumlithium, le bérylliumbéryllium et le borebore.

À partir de cette matière primordiale, les premières étoiles se forment, essentiellement constituées d'hydrogène. Grâce à la fusion nucléairefusion nucléaire la plupart des atomes plus lourds (jusqu'au fer) sont alors créés au sein des étoiles. Les atomes plus lourds que le fer seraient créés lors de l'explosion de certaines étoiles, les supernovaesupernovae.

Ainsi, le SoleilSoleil et son système planétaire dont nous faisons partie ne peuvent avoir été formés qu'à partir d'atomes qui ont été synthétisés dans des étoiles maintenant mortes.

La Terre et tout ce qui s'y trouve, en particulier les êtres vivants, sont donc constitués de poussière d'étoiles...

Peut-on transformer le plomb en or ?

Le rêve des alchimistes de transformer le plombplomb en or est en effet possible en réalisant des réactions nucléaires, capables de transformer un noyau de plomb en un noyau d'or. Mais, la quantité d'or ainsi produite est tellement faible par rapport à l'énergieénergie nécessaire que ces réactions ne présentent aucun intérêt...

Qu'est-ce que l'antimatière ?

L'antimatière est constituée d'antiparticulesantiparticules. Une antiparticule a exactement la même massemasse que la particule correspondante mais des nombres quantiquesnombres quantiques opposés. Par exemple, l'anti-électron a une charge électrique positive et de même amplitude que celle de l'électron. En combinant des antiprotonsantiprotons, des antineutrons et des antiélectrons, il est possible de faire des anti-atomes. Des atomes d'antihydrogène ont déjà été produits.

Lorsqu'une particule de matière rencontre son antiparticule, elles s'annihilent mutuellement en libérant la totalité de leur énergie sous forme de rayonnement. Les collisions particule-antiparticule sont couramment utilisées dans les expériences de physiquephysique des particules.

La duréedurée de vie de l'antimatière dans notre environnement est très faible puisqu'elle rencontre rapidement de la matière et s'annihile alors. Il n'y a donc pas d'antimatière sur Terre ou dans le Système solaireSystème solaire ni même dans notre galaxiegalaxie. Il semble même qu'il n'y ait nulle part dans l'univers d'anti-matière en quantité importante, pouvant par exemple former des étoiles d'anti-matière. Or, la matière et l'antimatière sont supposées avoir été créées en quantités égales lors du Big Bang. Le fait que toute l'antimatière ait disparu est un phénomène inexpliqué pour l'instant.

La première antiparticule, l'antiélectron, a été découverte en 1933 à l'aide des rayons cosmiquesrayons cosmiques. En effet, les particules du rayonnement cosmique interagissent avec l'atmosphèreatmosphère et peuvent alors créer des antiparticules.