conception graphique :
Atelier Daniel Leprince
relecture : Valérie Gautheron

Le Pommier, 2008

Tous droits réservés

ISSN : 1625-1245

ISBN : 9782746514942

170 bis, boulevard du Montparnasse 75014 Paris
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Collection développée avec le concours du ministère de la Culture et de la Communication (Centre national du livre et Cité des sciences et de l’industrie), dans le cadre du Fonds Jules-Verne.

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Le suspense n’aura pas duré bien longtemps : oui, on peut casser un atome. C’est pourtant le plus petit constituant de la matière, son nom même vient du grec atomos, « qu’on ne peut diviser ». Un ensemble d’atomes identiques constitue un corps simple ; les chimistes les ont patiemment découverts et isolés au cours des siècles, en les baptisant : hydrogène, hélium… carbone… fer… or… uranium, en allant du plus léger au plus lourd des corps simples que l’on trouve dans la nature.

Il est très facile de changer l’apparence extérieure d’un atome, c’est ce que font à tout instant la nature et les hommes. Toute la matière est composée de ces corps simples. Ceux-ci sont assemblés en structures plus complexes, comme les molécules ou les cristaux, ces structures étant elles-mêmes à la base de structures plus complexes comme les minéraux ou très complexes comme les organismes vivants. On appelle « chimistes »ceux qui modifient les assemblages d’atomes consciemment, selon les lois qui gouvernent les capacités des atomes à se lier entre eux, sans modifier leur structure interne.

Pour qui veut changer la structure interne d’un atome au point de devoir changer le nom que nous lui donnons, il y faut plus d’efforts, ou plutôt plus d’énergie. Les alchimistes étaient ceux qui cherchèrent la transmutation d’un corps simple en un autre par la seule voie de la chimie. Leur échec est maintenant bien compris : les réactions chimiques ne mettent en jeu que des énergies très faibles, bien trop faibles pour perturber le cœur des atomes. Ces énergies sont habituellement mesurées en électronvolts, une unité qui est égale à une minuscule fraction de l’unité officielle d’énergie, le joule : 1 électronvolt est égal à 1,6 × 10⁻¹⁹ joule.

Ce changement de la structure intime d’un atome, sa transmutation en un autre atome, est pourtant possible ; c’est un phénomène naturel, celui qui a créé tous les atomes qui existent aujourd’hui, qui nous composent et qui composent l’Univers. Depuis à peine plus d’un siècle, les hommes ont découvert comment transmuter un atome en un autre ; il faut pour cela mettre en jeu des énergies dépassant le million d’électronvolts. C’est le domaine d’énergie de la physique nucléaire, auquel nous nous consacrerons dans cette Petite Pomme.

Bien sûr, quand nous aurons décrit de quels éléments incassables est fait un atome se posera inévitablement à nouveau la question de départ : peut-on casser ces nouveaux morceaux élémentaires ? Nous nous tiendrons modestement au bord de cette question, dont on sent bien qu’elle amorce une descente vertigineuse qui est à la science de l’infiniment petit ce qu’est à la publicité des fromages à tartiner l’image sur la boîte de la vache qui porte en boucles d’oreille la boîte qui montre la vache qui porte en boucles d’oreille la boîte qui montre la vache qui…

Reprenons pied et concentrons pour l’instant nos forces à comprendre ce qu’est au juste un atome, comment on le fabrique et comment on peut le casser.

De quoi
est fait un atome ?

De briques et de mortier ! Enfin, de sortes de briques fort différentes, et de mortiers, car il y en a plusieurs, aux propriétés parfois surprenantes.

Pour ce qui est des briques, l’affaire est claire : nous ne travaillerons qu’avec des protons, des neutrons et des électrons. Les protons sont des particules qui ont une masse, une taille et une charge électrique. On peut les imaginer comme des billes de presque un femtomètre de rayon, le femtomètre étant le nom officiel du milliardième de millionième de mètre. Leur densité est gigantesque, puisqu’une masse de 1,67 × 10-27 kg est enfermée dans ce tout petit espace. Si notre planète Terre avait cette densité, elle aurait un rayon de 120 mètres au lieu de ses 6 300 km et quelques. Quant à la charge électrique du proton, c’est la plus petite que l’on ait jamais isolée. Cela en fait l’unité de base indivisible de charge électrique. Voilà quelque chose de vraiment indivisible et qui le restera ! On la raccroche à l’unité de charge électrique mesurable à notre échelle, soit le coulomb dans le système international d’unités de mesure, en notant que la charge électrique positive + e du proton est égale à 1,6 × 10⁻¹⁹ coulomb. Notons au passage que la définition de l’électronvolt a repris à son compte ce même facteur multiplicatif.

La deuxième sorte de brique est le neutron, frère du proton. De taille sensiblement équivalente à celle du proton et de masse très proche (le neutron est plus lourd que le proton de 1,4 pour mille), sa grande originalité est d’avoir une charge électrique globale nulle. C’est d’ailleurs aussi la raison de sa discrétion : il ne nous est connu que depuis trois quarts de siècle à peine. Cela montre à quel point il est difficile de détecter une particule sans charge électrique : le neutron nous est resté caché pendant des millénaires, alors que les charges électriques sont connues depuis l’Antiquité.

Faisons entrer le troisième et dernier acteur : l’électron. C’est le plus célèbre, puisqu’il a donné son nom à une technologie (l’électronique) qui baigne le quotidien des lecteurs des Petites Pommes et de quelques autres milliards d’habitants de cette planète. L’électron porte une charge négative exactement égale à celle du proton, propriété essentielle si l’on veut comprendre le fait que la matière est électriquement neutre : des charges positives et négatives en nombre égal s’annulent exactement. Si l’électron a une taille, celle-ci est trop petite pour avoir été mesurée à ce jour. Il a à coup sûr une masse, certes fort petite devant celles du proton et du neutron, mais non nulle : elle est de 9,1 × 10⁻³¹