1.8 : L'univers des très petits

La discussion qui précède vous a probablement fait comprendre que l'univers est extraordinairement vaste et extraordinairement vide. En moyenne, elle est 10 000 fois plus vide que notre Galaxie. Pourtant, comme nous l'avons vu, même la Galaxie est en grande partie un espace vide. L'air que nous respirons contient environ des\(10^{19}\) atomes par centimètre cube, et nous considérons généralement l'air comme un espace vide. Dans le gaz interstellaire de la Galaxie, il y a environ un atome par centimètre cube. L'espace intergalactique est si peu rempli que pour trouver un atome, il faut en moyenne parcourir un mètre cube d'espace. La majeure partie de l'univers est incroyablement vide ; les endroits denses, comme le corps humain, sont extrêmement rares.

Même nos solides les plus connus sont principalement l'espace. Si nous pouvions démonter un tel solide, pièce par pièce, nous finirions par atteindre les minuscules molécules à partir desquelles il est formé. Les molécules sont les plus petites particules dans lesquelles une matière peut être divisée tout en conservant ses propriétés chimiques. Une molécule d'eau (\(\ce{H2O}\)), par exemple, est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène liés ensemble.

Les molécules, quant à elles, sont constituées d'atomes, qui sont les plus petites particules d'un élément qui peuvent encore être identifiées comme étant cet élément. Par exemple, un atome d'or est la plus petite pièce d'or possible. Près de 100 types différents d'atomes (éléments) existent dans la nature. La plupart sont rares et seule une poignée représente plus de 99 % de tout ce avec quoi nous sommes en contact. Les éléments les plus abondants du cosmos aujourd'hui sont répertoriés dans le tableau\(\PageIndex{1}\) ; considérez ce tableau comme les « plus grands succès » de l'univers en ce qui concerne les éléments.

Tableau\(\PageIndex{1}\) : Les éléments cosmiquement abondants

Elément	symbole	Nombre d'atomes par million d'atomes d'hydrogène
Hydrogène	H	1 000 000
Hélium	Il	80 000
Carbone	C	450
azote	N	92
L'oxygène	O	740
Néon	Nouveau	130
magnésium	Mg	40
silicone	Monsieur	37
Soufre	S	19
Fer	Fe	32
Cette liste d'éléments est classée par ordre de numéro atomique, qui est le nombre de protons dans chaque noyau.

Tous les atomes sont constitués d'un noyau central chargé positivement entouré d'électrons chargés négativement. La majeure partie de la matière de chaque atome se trouve dans le noyau, qui est constitué de protons positifs et de neutrons électriquement neutres, tous étroitement liés les uns aux autres dans un espace très restreint. Chaque élément est défini par le nombre de protons contenus dans ses atomes. Ainsi, tout atome ayant 6 protons dans son noyau est appelé carbone, tout atome contenant 50 protons est appelé étain et tout atome contenant 70 protons est appelé ytterbium. (Pour une liste des éléments, voir l'annexe K.)

La distance entre un noyau atomique et ses électrons est généralement 100 000 fois la taille du noyau lui-même. C'est pourquoi nous disons que même la matière solide est principalement constituée d'espace. L'atome typique est bien plus vide que le système solaire jusqu'à Neptune. (La distance entre la Terre et le Soleil, par exemple, n'est que 100 fois la taille du Soleil.) C'est l'une des raisons pour lesquelles les atomes ne sont pas des systèmes solaires miniatures.

Fait remarquable, les physiciens ont découvert que tout ce qui se passe dans l'univers, du plus petit noyau atomique aux plus grands superamas de galaxies, peut s'expliquer par l'action de quatre forces seulement : la gravité, l'électromagnétisme (qui combine les actions de l'électricité et du magnétisme) et deux forces qui agissent au niveau nucléaire. Le fait qu'il existe quatre forces (et non pas un million ou une seule) a intrigué les physiciens et les astronomes pendant de nombreuses années et les a conduits à rechercher une image unifiée de la nature.

Simulation de phet : construction d'un atome

Pour construire un atome, particule par particule, regardez cette animation guidée pour construire un atome.