Posez la main à plat sur une table. Elle s’arrête net. Rien de plus banal, et pourtant la physique du XXe siècle en a fait une énigme. Depuis les expériences menées autour d’Ernest Rutherford à partir de 1909, nous savons que presque toute la masse d’un atome tient dans un noyau environ cent mille fois plus petit que l’atome lui-même. Votre main, comme la table, est donc faite d’un espace où la matière pesante n’occupe qu’une part infime. Pourquoi ne passent-elles pas l’une à travers l’autre ? Pour répondre, il faut entrer dans l’atome et regarder ce qui se trouve entre le noyau et le bord.
LE DÉCLIC EN IMAGE
Un noyau minuscule, des électrons autour
Le noyau concentre presque toute la masse. La zone autour représente des possibilités de présence des électrons, sans orbites dessinées.
Le noyau contient des protons et, le plus souvent, des neutrons.
Les électrons sont décrits par des possibilités de présence autour du noyau.
Entre atomes, les électrons participent aux liaisons qui organisent la matière.
LES BASESLes bases, si vous découvrez le sujet
- Atome
- Un constituant de la matière, avec un noyau et des électrons autour.
- Élément
- Une famille d’atomes définie par le nombre de protons de leur noyau : carbone, oxygène, fer…
- Molécule
- Un assemblage d’atomes liés. Une molécule d’eau contient de l’hydrogène et de l’oxygène.
Au fil de cette lecture
Une feuille d’or presque transparente
Au début du XXe siècle, le modèle dominant est celui de Joseph John Thomson : une boule de charge positive dans laquelle des électrons seraient dispersés comme des raisins dans un gâteau. En 1909, Hans Geiger et Ernest Marsden, qui travaillent avec Rutherford, bombardent une très fine feuille d’or avec des particules alpha issues d’une source radioactive, et repèrent leurs impacts sur un écran phosphorescent. La plupart traversent sans être déviées. Mais environ une sur huit mille rebondit vers l’arrière.
Rutherford compare plus tard sa stupeur à celle d’un artilleur qui verrait un obus rebondir sur une feuille de papier de soie. Il lui faut deux ans pour en tirer la conclusion, publiée en 1911 : la charge positive et presque toute la masse de l’atome sont concentrées dans un noyau minuscule. Un atome mesure environ un dix-milliardième de mètre ; son noyau, cent mille fois moins. Si l’atome avait la taille d’un stade, son noyau serait une tête d’épingle posée au centre.
Un noyau, des électrons, une identité
Le noyau porte une charge électrique positive, apportée par ses protons ; autour, les électrons portent une charge négative. Dans un atome neutre, ces charges se compensent. Le nombre de protons définit l’élément chimique : un pour l’hydrogène, six pour le carbone, huit pour l’oxygène. Changer ce nombre, c’est changer d’élément, ce que font les réactions nucléaires. Un atome peut en revanche gagner ou perdre des électrons sans changer d’identité : c’est le terrain de la chimie.
Un proton est environ 1 836 fois plus massif qu’un électron. Avec les neutrons qui l’accompagnent le plus souvent, le noyau rassemble ainsi plus de 99,9 % de la masse de l’atome. Les électrons, eux, déterminent sa taille, sa manière de se lier aux autres et, comme nous allons le voir, la solidité des objets.
Les électrons ne sont pas de petites planètes
Les dessins scolaires placent souvent les électrons sur des anneaux, comme des planètes autour d’un soleil. Le modèle est facile à retenir, mais la physique quantique décrit autre chose : des états, appelés orbitales, qui indiquent où un électron peut être détecté et avec quelle probabilité. Certaines orbitales ont une forme sphérique, d’autres des lobes plus complexes.
Le nuage que l’on dessine autour du noyau est donc une carte des possibilités, plus dense là où l’électron a le plus de chances d’être trouvé. C’est lui qui donne à l’atome son étendue. L’espace autour du noyau, presque dépourvu de masse, est ainsi structuré par ces états électroniques.
S’assembler transforme les propriétés
Les atomes se lient en partageant ou en échangeant des électrons, et forment des molécules ou des structures étendues. Une molécule d’eau rassemble deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène. Dans un solide, les interactions entre un très grand nombre d’atomes fixent la rigidité et la conduction électrique. Le carbone forme aussi bien le diamant, très dur, que le graphite des crayons, qui s’effrite : les mêmes atomes, organisés autrement, donnent des matériaux opposés.
L’eau et la glace contiennent les mêmes molécules ; seules leur organisation et leurs mouvements diffèrent. Les propriétés que nous touchons, dureté, souplesse, fluidité, commencent dans cette architecture microscopique.
Pourquoi la main s’arrête
Revenons à la table. Quand votre main s’en approche, ses noyaux restent bien trop loin de ceux du bois pour les rencontrer. Ce sont les électrons des atomes de surface qui entrent en jeu. Chaque atome est globalement neutre, mais dès que deux nuages électroniques commencent à se recouvrir, une règle quantique s’impose : le principe d’exclusion, formulé par Wolfgang Pauli en 1925, selon lequel deux électrons ne peuvent pas occuper exactement le même état. Pour se superposer, les électrons devraient être poussés vers des états plus énergétiques, et ce surcoût, auquel s’ajoutent les forces électriques entre charges, se traduit par une répulsion qui grandit très vite quand les atomes se rapprochent. Forcer les nuages électroniques à se chevaucher demanderait une énergie considérable.
La sensation de contact est donc une répulsion entre nuages d’électrons, transmise à vos nerfs : vous ne touchez jamais, au sens strict, les noyaux de la table. En 1931, en remettant une médaille à Pauli, le physicien Paul Ehrenfest plaisantait : s’il voulait bien lever un peu ses interdictions, on réglerait les embouteillages. Il a fallu attendre 1967 pour que Freeman Dyson et Andrew Lenard démontrent rigoureusement que la matière ordinaire, tenue par les forces électriques, est stable, et que le principe d’exclusion des électrons y est indispensable. Le vide de l’atome est un vide très organisé, et c’est cette organisation qui vous porte quand vous vous asseyez.
Ce qu’on garde en tête.
- En 1909, une particule alpha sur huit mille rebondissait sur une feuille d’or : le noyau est cent mille fois plus petit que l’atome.
- Le nombre de protons définit l’élément ; les électrons fixent la taille de l’atome et ses liaisons.
- Une main s’arrête sur une table parce que les nuages d’électrons résistent au recouvrement : deux électrons ne peuvent pas partager un même état.
Ce que l’on sait. Ce qui reste ouvert.
Les dessins d’atomes sont des modèles explicatifs, pas des photographies : les anneaux ne représentent pas des trajectoires d’électrons. Les comparaisons d’échelle sont arrondies. L’explication de la solidité simplifie un problème de physique quantique : répulsion électrique et principe d’exclusion agissent ensemble, et nous n’entrons pas dans les calculs.
UN PETIT DÉCLIC POUR LA ROUTE
Si un atome est presque entièrement « vide », pourquoi votre main s’arrête-t-elle sur la table ?
Remonter à la source.
- La structure de l’atomeOpenStax — Rice University↗
- L’atome d’hydrogèneOpenStax — Rice University↗
- Le principe d’exclusion, prix Nobel de physique 1945Fondation Nobel · Fiche Wolfgang Pauli, anglais↗
- Le rôle du principe d’exclusion, des atomes aux étoilesNorbert Straumann · Article d’histoire des sciences, arXiv, anglais↗
- Rapport de masse entre proton et électronNIST · Constantes physiques CODATA 2022, anglais↗
Sources consultées le 9 octobre 2026. Rédaction assistée par IA, sans relecture indépendante d’expert à ce stade.
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