Les atomes constituent tout ce qui existe dans ce monde, et il n'est donc pas rare ou surprenant de se demander à quoi ils ressemblent. Comme il s'agit d'une particule microscopique, il est impossible de voir un atome à l'œil nu.

Les scientifiques ont passé des siècles à étudier l'atome, et il n'y a pas si longtemps qu'ils ont commencé à utiliser de puissants microscopes pour les observer de près. À l'aide d'un microscope électronique, ils ont découvert qu'un atome se présente sous la forme de deux sphères reliées entre elles.

Si vous vous demandez à quoi ressemble un atome au microscope, poursuivez votre lecture. Voici tout ce qu'il faut savoir sur les atomes et les différentes opinions concernant leur apparence.

Que sont les atomes ?

Les scientifiques considèrent les atomes comme les principaux éléments constitutifs de l'univers, qui composent tous les organismes de la planète. Lorsque John Dalton a découvert les atomes pour la première fois, l'idée qu'il s'agissait simplement de petites boules prévalait. Cependant, les définitions de cette particule invisible ont changé.

Les électrons, les protons et les neutrons constituent un seul atome, mais vous serez surpris d'apprendre que ces éléments sont constitués de particules plus petites appelées quarks. Les atomes peuvent exister de manière indépendante ou codépendante, mais ils font toujours partie d'une réaction chimique, qui se produit lorsque des atomes d'éléments différents interagissent.

Il convient de noter que les atomes ne peuvent être ni créés ni détruits après leur formation il y a 13,7 milliards d'années¹ lors du Big Bang, lorsque les quarks se sont transformés en neutrons et en protons. Environ 380 000 ans après le Big Bang, l'univers s'est suffisamment refroidi pour que les noyaux capturent des électrons et forment des atomes.

Le mot "atome" est dérivé du mot grec "atomos", qui signifie invisible. Au Ve siècle avant notre ère, Démocrite a été le premier à proposer que la combinaison de différents atomes soit à l'origine de toute matière. Boyle, Newton, Galilée et Lavoisier ont ensuite discuté de l'atome.

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Qu'est-ce qu'un modèle atomique ?

De nombreux scientifiques et philosophes ont proposé différents modèles atomiques indiquant l'apparence d'un atome, notamment le modèle de la boule de billard de Dalton, le modèle planétaire de Rutherford, le modèle du "plum pudding" de J.J. Thomson et le modèle atomique de Bohr. Malheureusement, chaque modèle atomique présente des défauts et des lacunes en raison du manque de technologie au moment de son introduction.

Modèle de boule de billard de Dalton

Le modèle atomique de John Dalton a été introduit en 1803¹, affirmant que ces atomes étaient indestructibles, immuables et qu'ils constituaient les blocs de construction invisibles de toute matière. Il était également d'accord avec le modèle de Démocrite selon lequel les composés sont des combinaisons d'atomes différents.

Son atome hypothétique ressemble à une boule de billard, d'où son nom. Cependant, la théorie de Dalton présente certains inconvénients. Par exemple, il a supposé à tort que la masse de chaque atome était la même.

Le modèle de J. J. Thomson

Le modèle du plum pudding de JJ Thomson a été introduit en 1904¹, affirmant qu'un atome avait une charge neutre totale et pensant que quelque chose devait équilibrer la charge négative d'un électron. Thomson pensait également que le nuage chargé positivement contenait de minuscules particules chargées négativement, imitant l'apparence du plum pudding, un célèbre dessert anglais. Cependant, il n'a pas réussi à afficherexpérimentale de ce modèle atomique.

Modèle Rutherford

Le modèle planétaire¹ de Rutherford introduit le noyau, centre chargé positivement contenant la masse de l'atome. Il explique que les électrons tournent autour du noyau, plus petit que l'atome. Mais malheureusement, son modèle présente certaines lacunes, car il n'explique pas la stabilité de l'atome.

Le modèle de Bohr

Bohr a révisé le modèle planétaire de Rutherford avec un autre modèle atomique¹, selon lequel des électrons négatifs entourent un petit noyau positif dans diverses orbites fixes. L'énergie de chaque coquille orbitale est fixe et contient des électrons. Cependant, ce modèle atomique ne pouvait pas soutenir le principe d'incertitude d'Heisenberg, l'effet Stark ou l'effet Zeeman.

À quoi ressemble un atome ?

Les microscopes optiques ne peuvent pas capturer et afficher les atomes car ils ne dépendent pas des particules de lumière, qui ne provoquent aucune déviation. Par conséquent, il faudrait un microscope puissant pour capturer ne serait-ce qu'une image floue de cette particule.

Heureusement, grâce à un microscope électronique puissant, un scientifique a pu nous donner un premier aperçu de l'atome. Un faisceau d'électrons, dont la longueur d'onde est inférieure à celle de la lumière, se disperse lorsqu'il frappe une cible, ce qui permet aux microscopes de créer une image.

Lorsque les scientifiques ont commencé à utiliser des microscopes électroniques pour capturer les atomes, ils ont vu de loin des sphères rougeoyantes. Certaines de ces sphères étaient indépendantes, tandis que d'autres étaient codépendantes et se déplaçaient par paires. Bien sûr, une image plus proche nous permettrait de voir à quoi ressemble le modèle détaillé, mais la technologie n'est pas encore assez avancée pour cela.

Les scientifiques utilisent d'autres microscopes avancés pour étudier de près les atomes et les déplacer pour étudier les particules, mais il est toujours impossible de saisir l'apparence de ces dernières dans de telles situations.

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Pouvez-vous voir les atomes ?

Les atomes sont trop petits pour être vus à l'œil nu, mais des microscopes spécifiques peuvent nous aider à les voir de loin. Le résultat sera cependant flou et difficile à déchiffrer. La meilleure façon de capturer l'image de l'atome est de le faire à l'aide d'un microscope à effet tunnel.

L'effet tunnel¹ est un effet mécanique quantique que l'on peut décrire comme de l'eau qui s'échappe de la paroi d'un verre. L'effet tunnel permet au courant électrique de circuler si une petite aiguille s'approche à environ 10-9 m d'une surface métallique. La distance peut influencer l'importance du courant, qui diminue à mesure que l'on s'éloigne.

À l'aide de ce courant, un système de contrôle automatique peut produire une carte de cette surface métallique. L'aiguille se déplace vers l'atome pour faire remonter le courant lorsqu'il diminue et vice versa. Les scientifiques peuvent créer une image de la surface et de ses atomes en surveillant les mouvements de l'aiguille.

Si le courant est idéal, l'atome peut rester collé à la pointe de l'aiguille, ce qui permet d'inverser le courant lorsque l'atome se trouve dans la position souhaitée. Grâce à cette technique, les scientifiques peuvent expérimenter un nouveau type de recherche en chimie.

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Quels microscopes peuvent voir un atome ?

La microscopie a considérablement évolué au cours de l'histoire de la science, se développant en fonction des besoins des scientifiques. Les microscopes optiques étaient initialement le seul outil de microscopie disponible, mais ils ne pouvaient pas fournir suffisamment de détails pour afficher les atomes et les nanoparticules.

Les objets de moins de 300 nanomètres se déforment sous un microscope optique. Étant donné que les microscopes optiques et lumineux ne permettent de voir que l'intérieur des cellules végétales et animales, les scientifiques ont dû mettre au point des outils plus puissants pour voir les atomes.

Les microscopes électroniques et les microscopes à sonde à balayage sont actuellement les meilleurs outils pour observer les atomes de près.

Microscopes électroniques

Les microscopes électroniques peuvent voir les atomes, car ils peuvent grossir les objets plus de 500 000 fois¹, un grossissement suffisant pour voir de nombreux détails à l'intérieur des cellules, y compris les atomes. Si l'on considère tous les types de microscopes électroniques, le microscope électronique à transmission est le plus apte à détecter les nanoparticules et les atomes.

Ces microscopes, inventés en 1931, concentrent des faisceaux d'électrons sur un échantillon. Lorsque ces faisceaux atteignent la cible, les électrons se dispersent, ce qui permet de créer l'image souhaitée.

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Microscopes à sonde à balayage

Les microscopes à sonde à balayage ont été inventés dans les années 1980. Ils utilisent un doigt mécanique à l'échelle nanométrique pour déterminer l'emplacement et la texture des atomes.

Il existe deux types de microscopes à sonde à balayage : les microscopes à force atomique et les microscopes à effet tunnel. Dans le premier cas, une pointe affinée, large comme un atome, se déplace sur la surface de l'échantillon, s'élève au-dessus des atomes et tombe dans les espaces intermédiaires.

Un laser enregistre cette légère montée et descente et transmet l'information à un ordinateur pour produire des images en 3D des atomes, ce qui permet aux scientifiques d'observer les atomes à l'aide d'écrans d'ordinateur et non d'oculaires de microscope.

Le second type analyse la pointe de la sonde et les atomes de la surface de l'échantillon pour mesurer la variation du courant électrique entre eux. À l'aide d'une pointe, il peut détecter les changements de la structure magnétique de la surface au niveau atomique.

Peut-on photographier les atomes ?

Oui, il est possible de photographier les atomes à l'aide d'un microscope approprié.

En 2018, David Muller de l'université Cornell¹ a capturé l'image la plus haute résolution d'atomes. Ils ont utilisé un cristal d'orthovanadate de praséodyme. Grâce à une technique psychographique, ils ont pu capturer une image légèrement floue des sphères rougeoyantes.

La ptychographie nécessite l'utilisation d'un microscope électronique pour l'analyse du cristal en calculant les angles des électrons diffusés et en déterminant la forme des atomes responsables.

L'équipe de Muller a utilisé un matériau 2D pour limiter la diffusion des électrons, ce qui permet de savoir plus facilement d'où les électrons ont été diffusés. Ils ont également constaté que le refroidissement de l'échantillon assure une meilleure stabilité des atomes, ce qui facilite la prise de photos.

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Réflexions finales

Lorsque les scientifiques ont découvert les atomes, il semblait impossible de les voir un jour. Cependant, grâce à des microscopes perfectionnés, les scientifiques ont capturé des images de haute qualité des atomes, ce qui nous permet de savoir à quoi ressemble cette nanoparticule.

• //byjus.com/chemistry/what-does-an-atom-look-like/
• //www.physicscentral.com/explore/action/atom.cfm
• //www.microscopemaster.com/atom-under-the-microscope.html
• //www.livescience.com/37206-atom-definition.html

Crédit photo : Alexander Raths, Shutterstock