Les atomes :
En 1904, Thomson constate, que tous les atomes contiennent des électrons.
C.G. Barkla (1877-1944) précise que leur nombre dans un atome est voisin de la moitié de sa masse mesurée en nombre de masse de l'atome d'Hydrogène (proton).
H. Nagaoka (1865-1950), suite aux précédentes observations, propose un modèle d'atome où un nuage d'électrons placés sur des cercles, tourne autour d'un noyau central. A son tour, Thomson envisage l'atome comme une sphère d'environ (10-8 cm) de rayon dans laquelle existe un nombre égal de protons et d'électrons de sorte que l'ensemble est neutre.
En 1909 R.-H. Millikan (1868-1953) constate que toute charge électrique est un multiple entier de celle, en valeur absolue, de l'électron (q = 1.56.10-19 C) et que la masse de l'électron est égale à (1 /1836) de celle de l'atome d'hydrogène (proton).
En 1910, Rutherford (1871 - 1937) constate que le bombardement de l'Azote avec des rayons (? = noyau d'Hélium), produit des noyaux d'Hydrogène (proton). Il en déduit que les noyaux des atomes sont faits de (z) protons, ce qui leur confère une charge égale à (z . q+).
Une fois, en bombardant une lame métallique très mince avec des particules (α) animées d'une vitesse de 10.000 km/s, il constate que la distribution angulaire des particules (α) déviées est telle qu'elle ne peut pas être due à la présence d'atomes dont le volume serait égal à 10-8 cm), comme le prétendait Thomson, mais d'un espace réduit à un volume (noyau) de rayon égal à (10-12 cm).
En 1912, Rutherford propose un modèle d'atome, dit planétaire, constitué d'un noyau positif très petit (rayon de 10-12 cm) dans lequel est concentrée la quasi-totalité de la masse atomique et d'électrons gravitant autour sur des orbites de rayon égal à (10-8 cm), le tout étant neutre.
Cette structure planétaire des électrons fut rapidement jugée instable. En effet, une charge électrique en rotation, selon les lois de l'électromagnétisme, doit perdre de l'énergie sous forme de rayonnement et finalement tomberait sur le noyau. Par ailleurs, ce rayonnement serait continu alors que les spectres d'émission des atomes sont des raies fines dont chacune correspond à une fréquence bien définie.
En 1913 Niels Bohr (1885-1962) constate que l'atome planétaire de Rutherford n'était pas une mauvaise idée, et se contente d'y ajouter une précision selon laquelle, les électrons tournent autour du noyau uniquement sur des orbites permises
de rayon (rn) satisfaisant la relation
(me . v . rn) = n . h / (2 . π)
L'électron ne rayonne pas d'énergie tant qu'il est sur une orbite permise. En revanche, l'électron, en tombant d'une orbite externe sur une autre plus interne, libère une quantité (ΔE) d'énergie correspondant à un photon de fréquence (f = ΔE / h).
En 1922, Rutherford, pour expliquer l'existence des isotopes, postule qu'à côté des protons les noyaux atomiques contiennent des particules de masse analogue mais électriquement neutres (plus tard appelés neutrons). Dès lors, il sépare les propriétés radioactives des noyaux des propriétés chimiques dues aux électrons périphériques.
En 1923 Compton (1892-1962) observe que la fréquence des rayons X incidents est différente de la fréquence des rayons diffusés.
En 1927, Dirac (1902-1984), en combinant les principes de la relativité restreinte (Einstein) et ceux de la mécanique quantique (Schrödinger et Heisenberg), écrit les équations de l'électron en mouvement rotatif autour de son noyau. Ce qui lui permet de calculer les niveaux d'énergie des orbites électroniques de l'atome d'Hélium et, par la suite, les spectres d'émissions d'atomes plus complexes.
Il en résulte schématiquement que, lorsqu'un électron saute d'une orbite sur une autre de moindre énergie, il se crée un champ électromagnétique oscillant dont l'énergie (ΔE) s'exprime sous la forme d'une particule intermédiaire, le photon, en fonction de la fréquence d'oscillation (f = ΔE / h).
En 1930 Niels Bohr oriente ses recherches vers le noyau atomique pour lequel il propose le modèle, dit de la goutte
où l'ensemble des particules constitutives de ce dernier reste fortement lié, ne permettant que des interactions globales avec l'extérieur.
En 1930, Pauli (1900-1958), en reprenant les études sur la radioactivité (β-) que ses collègues avaient réalisée et en y ajoutant ses propres expériences, constate, en 1930, qu'une faible partie d'énergie disparaît lors de la désintégration d'un neutron en proton et électron, et postule qu'une troisième particule neutre et très légère (neutrino) emporte cette fraction d'énergie.
En 1932, les Jolliot-Curie, Frédéric (1900-1958) et Irène (1897-1956) observent, autour d'un radioélément, un rayonnement extrêmement pénétrant.
En 1932 James Chadwick (1891-1974) révèle, que ce rayonnement est constitué des mêmes particules neutres (neutron) dont Rutherford, en 1922, avait postulé la présence dans les noyaux atomiques, à côté des proton, pour en compléter la masse.
Heisenberg (1901-1976), après la découverte du neutron, propose que, dans un noyau atomique, les protons et les neutrons soient liés par une force de nature nouvelle ayant le caractère d'une interaction forte.
En 1932, Aston (1877-1945), grâce à des spectrographes précis avait mesuré, la masse d'environ 250 isotopes.
En 1934, Fermi (1901-1954) postule, que protons et neutrons, dans les noyaux atomiques, sont liés en une même particule fondamentale dans des états quantiques différents et imagine que les transitions entre les deux états résultent de l'émission ou l'absorption de neutrinos et d'électrons.
Il est incroyable que, par la magie des équations, Fermi ait imaginé, à l'intérieur de l'espace d'un noyau, la désintégration d'un neutron en proton, électron et neutrino.
En réalité il s'agit de la théorie initiale de la désintégration β (c'est-à-dire celle du neutron) dite interactions faibles qui a longuement été vérifiée, uniquement, sur les noyaux atomiques.
Hideki Yukawa (1907-1981), durant ses études, s'était imprégné de toutes les techniques : physique nucléaire, mécanique quantique, champs quantiques... mais n'avait trouvé aucune solution relative à la stabilité des noyaux atomiques faits de neutrons instables et de protons stables mais électriquement répulsifs entre eux.
En 1934, un atome est constitué d'un noyau comprenant (z) protons et (N) neutrons liés par une interaction forte. Autour du noyau, tournent (z) électrons sur des orbites définies par leur niveau d'énergie.
A propos du noyau atomique, les physiciens, en transformant les masses en énergie, constatent que celle d'un noyau (Ma.c2) diffère de celle de ses constituants d'une quantité (Ed)
Ma . c2 = (z . mp + N . mo ) . c2 - Ed
Ils pensèrent que la différence (Ed) se répartissait entre les (z + N = A) nucléons selon le rapport (Ed / A) sous la forme d'une interaction forte attractive de faible portée (environ un Fermi) sans savoir pourquoi.
En 1935, Hideki Yukawa a une intuition : en se référant à la théorie des champs quantiques, imagine que, dans un noyau atomique, il se crée un champ d'interaction forte dont une fraction d'énergie (Ed / A) s'exprime par l'intermédiaire d'une particule inconnue (le méson dont la masse est intermédiaire entre celle de l'électron et celle du proton.) qui répartit l'énergie de liaison entre les protons et les neutrons pour les lier.
Niels Bohr, en apprenant cette solution, la rejette. En revanche, le monde scientifique l'approuvera, en 1945, après que Powell eut découvert, dans le rayonnement cosmique, le méson π (vie moyenne 10-8 seconde) dont les caractéristiques correspondaient à celle calculée par Yukawa.
En 1949, Fermi, en bombardant violemment des nucléons, en fait surgir diverses particules, dont le fameux méson π qu'il reconnut, à son tour, comme étant la particule imaginée par Yukawa.
Le développement des cyclotrons permet aux physiciens de disposer de faisceaux de projectiles de plus en plus puissants pour bombarder des protons. Parmi les débris, ils trouvent des mésons (π+, πo, π-, Ko, K).
Gell-Mann (né en 1929) imagine, vers 1960, que les protons et les neutrons sont faits de la combinaison de particules élémentaires, les quarks (u, s et d). Cette hypothèse est d'abord considérée comme une commodité mathématique. Mais les physiciens, en utilisant des faisceaux d'électrons de quelque 10 GeV, mettent en évidence, dans les protons et les neutrons, des structures ponctuelles dures portant des charges électriques fractionnées qui sont identifiées comme des quarks, sans qu'on ait pu les isoler.
En 1972, Gell-Mann, en collaboration avec Bardeen, imaginent que les quarks de diverses couleurs se lient entre eux dans les nucléons, à travers un champ chromodynamique par l'échange d'un quantum : le gluon.
Structure électronique d'un atome quantique :
1 - Il y a incertitude quant à la place de l'électron autour du noyau.
2 - La fonction d'onde ou orbitale de Schrödinger permet de calculer l'énergie possible d'un électron et la probabilité de sa présence en un point donné.
3 - Un électron est d'autant plus stable que son énergie est basse.
4.- Il n'existe que deux électrons pour une même orbitale.
Structure des noyaux atomiques
A cette époque, un atome est constitué d'un noyau comprenant (z) protons et (N) neutrons liés par une interaction forte.
Autour du noyau, tournent (z) électrons sur des orbites définies par leur niveau d'énergie et un rayon (rn). Lorsque l'un d'entre eux tombe d'une orbite sur une autre de moindre énergie, il se crée un champ électrodynamique oscillant dont l'énergie (ΔE) s'exprime sous la forme d'une particule intermédiaire, le photon, en fonction de la fréquence d'oscillation (f = ΔE / h).
A propos du noyau atomique, les physiciens, en transformant les masses en énergie, constatent que celle d'un noyau (Ma.c2) différait de celle de ses constituants d'une quantité (Ed)
Ma . c2 = (z . mp + N . mo ) . c2 - Ed
Vers les années 1932, on prétendait que ce défaut d'énergie (Ed) se répartissait entre les nucléons pour compenser les forces répulsives des protons. Mais une question restait en suspens : Par quel processus cela se réalisait-il ?
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C'est là qu'intervient l'intuition d'Yukawa. Celui-ci, en se référant à la théorie des champs quantiques, imagine que, dans un noyau atomique, il se crée entre les protons et les neutrons, une interaction forte attractive de faible portée (environ un Fermi).dont une fraction d'énergie (Ed / A) s'exprime par l'intermédiaire d'une particule le mésons π qui transporte la force de liaison de l'un à l'autre.
Vers 1960 Gell-Mann imagine, que les protons et les neutrons sont faits de la combinaison de particules élémentaires, les quarks (u, s et d). Cette hypothèse est d'abord considérée comme une commodité mathématique. Mais les physiciens, en utilisant des faisceaux d'électrons de quelque 10 GeV, mettent en évidence, dans les protons et les neutrons, des structures ponctuelles dures portant des charges électriques fractionnées qui sont identifiées comme des quarks, sans qu'on ait pu les isoler.
En 1972, Gell-Mann, en collaboration avec Bardenn, imagine que les quarks de diverses couleurs se lient entre eux dans les nucléons, à travers un champ chromodynamique par l'échange d'un quantum : le gluon.