Mise à jour : Cet article a été mis à jour le 11 septembre 2017 par Rachel Ross, collaboratrice de Live Science.
Imaginez que vous déposez un atome sur une balance. Pendant que vous le faites, les cellules de la peau qui ont des trillions d’atomes d’épaisseur s’écaillent de votre main et volent tout autour, l’enterrant dans un tas de sosies atomiques. Pendant ce temps, l’humidité et les particules atmosphériques sont projetées, rebondissant sur la balance et envoyant son aiguille sensible aux atomes dans un mouvement de va-et-vient comme un essuie-glace. Et au fait, comment avez-vous réussi à isoler un seul atome en premier lieu ?
Un instant de réflexion montre que vous ne pouvez pas peser un atome sur une balance traditionnelle.
A la place, les physiciens utilisent depuis plus d’un siècle un instrument appelé spectromètre de masse. Inventé en 1912 par le physicien J.J. Thomson et amélioré progressivement, il fonctionne comme suit : Tout d’abord, les physiciens « ionisent » un gaz d’atomes en projetant un faisceau de particules sur le gaz, ce qui ajoute des électrons aux atomes ou en élimine quelques-uns, selon le type de faisceau de particules utilisé. Cela donne aux atomes – désormais appelés « ions » – une charge électrique nette négative ou positive.
Puis, les ions sont envoyés dans un tube dans lequel ils sont soumis à des champs électriques et magnétiques. Ces deux champs exercent une force sur les ions, et l’intensité de ces deux forces est proportionnelle à la charge des ions (les atomes neutres ne ressentent pas ces forces). La force électrique fait changer la vitesse des ions, tandis que la force magnétique dévie leur trajectoire.
Les ions sont ensuite collectés par des « coupes de Faraday » à l’extrémité du tube, générant un courant dans les fils attachés aux coupes. En mesurant où et quand le flux d’ions frappe les coupelles de Faraday, les physiciens peuvent déterminer de combien ils ont dû accélérer, et dans quelle direction, sous l’effet des forces électriques et magnétiques. Enfin, grâce à la deuxième loi du mouvement de Newton, F=ma, réarrangée en m=F/a, les physiciens divisent la force totale agissant sur les ions par leur accélération résultante pour déterminer la masse des ions.
La masse de l’électron a également été déterminée à l’aide d’un spectromètre de masse – dans ce cas, les électrons étaient simplement envoyés à travers l’instrument eux-mêmes. Cette mesure permet aux physiciens de déterminer la masse d’un atome lorsqu’il possède le nombre correct d’électrons, plutôt qu’un manque ou un surplus d’électrons.
En utilisant un spectromètre de masse, les physiciens ont déterminé que la masse d’un atome d’hydrogène était de 1,660538921(73) × 10-27 kilogrammes, où les chiffres entre parenthèses ne sont pas connus avec une totale certitude. C’est assez précis pour la plupart des objectifs.
De bonnes vibrations
Une autre façon de trouver la masse d’un atome est de mesurer sa fréquence de vibration et de résoudre à l’envers, selon l’article de Jon R. Pratt publié en 2014 dans le Journal of Measurement Science.
La vibration d’un atome peut être déterminée de quelques façons, dont l’interférométrie atomique, dans laquelle les ondes atomiques sont divisées de manière cohérente et recombinées par la suite, selon Alex Cronin, professeur associé au département de physique de l’université d’Arizona, et les peignes de fréquence, qui utilisent la spectrométrie pour mesurer les vibrations. La fréquence peut ensuite être utilisée avec la constante de Planck pour trouver l’énergie de l’atome (E = hv, où h est la constante de Planck et v la fréquence). L’énergie peut ensuite être utilisée avec la célèbre équation d’Einstein, E = mc2, pour résoudre la masse de l’atome lorsqu’elle est réarrangée en m = E/c2.
Une troisième façon de mesurer la masse d’un atome est décrite dans un article de 2012 publié dans Nature Nanotechnology par J. Chaste, et al. Cette méthode consiste à utiliser des nanotubes de carbone à basse température et dans le vide et à mesurer comment la fréquence de vibration change en fonction de la masse des particules qui y sont attachées. Cette échelle peut mesurer des masses jusqu’à un yoctogramme, soit moins que la masse d’un seul proton (1,67 yoctogramme).
Le test a été effectué avec un nanotube de carbone de 150 nanomètres suspendu au-dessus d’une tranchée. Le nanotube a été pincé comme une corde de guitare, ce qui a produit une fréquence de vibration naturelle qui a ensuite été comparée aux modèles de vibration lorsque le nanotube est entré en contact avec d’autres particules. La quantité de masse qui se trouve sur le nanotube va changer la fréquence produite.
Ye olde mass
Que dire avant l’époque des spectromètres de masse, quand les chimistes étaient flous sur ce qu’était même un atome ? À l’époque, ils mesuraient principalement le poids des atomes qui composaient les divers éléments en fonction de leur masse relative, plutôt que de leur masse réelle. En 1811, le scientifique italien Amedeo Avogadro a réalisé que le volume d’un gaz (à une pression et une température données) est proportionnel au nombre d’atomes ou de molécules qui le composent, quel que soit le gaz. Ce fait utile a permis aux chimistes de comparer les poids relatifs de volumes égaux de différents gaz pour déterminer les masses relatives des atomes qui les composent.
Ils ont mesuré les poids atomiques en termes d’unités de masse atomique (amu), où 1 amu était égal à un douzième de la masse d’un atome de carbone-12. Lorsque, dans la seconde moitié du 19e siècle, les chimistes ont utilisé d’autres moyens pour évaluer approximativement le nombre d’atomes dans un volume de gaz donné – cette fameuse constante connue sous le nom de nombre d’Avogadro – ils ont commencé à produire des estimations approximatives de la masse d’un seul atome en pesant le volume du gaz entier, et en divisant par le nombre.
La différence entre le poids, la masse et le nombre atomiques
Beaucoup de gens utilisent les termes poids et masse de manière interchangeable, et même la plupart des balances offrent des options en unités telles que les livres et les kilogrammes. Et bien que la masse et le poids soient liés, ils ne sont pas la même chose. Lorsqu’on parle des atomes, beaucoup de gens utilisent indifféremment le poids atomique et la masse atomique, même si ce n’est pas tout à fait la même chose non plus.
La masse atomique est définie comme le nombre de protons et de neutrons dans un atome, où chaque proton et chaque neutron a une masse d’environ 1 amu (1,0073 et 1,0087, respectivement). Les électrons d’un atome sont si minuscules par rapport aux protons et aux neutrons que leur masse est négligeable. L’atome de carbone-12, qui est encore utilisé comme étalon aujourd’hui, contient six protons et six neutrons pour une masse atomique de douze amu. Les différents isotopes d’un même élément (même élément avec des quantités différentes de neutrons) n’ont pas la même masse atomique. Le carbone-13 a une masse atomique de 13 amu.
La masse atomique, contrairement au poids d’un objet, n’a rien à voir avec la force de gravité. C’est une valeur sans unité qui correspond au rapport entre les masses atomiques des isotopes naturels d’un élément et celle d’un douzième de la masse du carbone-12. Pour des éléments comme le béryllium ou le fluor qui n’ont qu’un seul isotope naturel, la masse atomique est égale au poids atomique.
Le carbone a deux isotopes naturels – le carbone-12 et le carbone-13. Les masses atomiques de chacun sont respectivement de 12,0000 et 13,0034, et connaissant leurs abondances dans la nature (98,89 et 1,110 pour cent, respectivement), on calcule que le poids atomique du carbone est d’environ 12,01. Le poids atomique est très similaire à la masse du carbone-12 en raison du fait que la majorité du carbone dans la nature est constituée de l’isotope carbone-12.
Le poids atomique de tout atome peut être trouvé en multipliant l’abondance d’un isotope d’un élément par la masse atomique de l’élément, puis en additionnant les résultats. Cette équation peut être utilisée avec des éléments ayant deux isotopes ou plus :
- Carbone-12 : 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Carbone-13 : 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
- 11.8668 + 0,1443 = 12,0111 = poids atomique du carbone
Et il y a encore une troisième valeur qui est utilisée lorsqu’on parle de mesures liées aux atomes : le numéro atomique. Le numéro atomique est défini par le nombre de protons dans un élément. Un élément est défini par le nombre de protons que contient son noyau et n’a rien à voir avec le nombre d’isotopes qu’il possède. Le carbone a toujours un numéro atomique de 6 et l’uranium a toujours un numéro atomique de 92.
Rapport complémentaire de Rachel Ross, collaboratrice de Live Science.