Introduction à la science des matériaux/Histoire de la science des matériaux

**Histoire de la science des matériaux**
Leçon : Introduction à la science des matériaux

Chapitre n^o 1
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Chap. suiv. :	Choix d'un matériau

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Résumé

Éléments d’histoire des sciences à l’usage du métallurgiste : naissance de la métallurgie et compréhension de la structure de la matière.

Durée recommandée : 1 h 30 (45' pour l'histoire de la métallurgie, 45' pour l'histoire de la science des matériaux).

Introduction

Outre la curiosité et l’intérêt culturel, l’histoire des sciences permet quatre choses :

d'avoir une « approche systémique », c'est-à-dire que l’on aborde la science des matériaux comme faisant partie d'un système complet, avec ses répercussions économique et sociale, et non simplement comme un domaine technique ;
de bien comprendre les concepts actuels, en comprenant comment ils sont apparus ;
de voir les problèmes auxquels l’humanité a été confrontée, donc de comprendre le pourquoi de certaines pratiques industrielles ;
de découvrir des méthodes simples et robustes, « rustiques », dont on peut encore s’inspirer de nos jours pour résoudre bien des problèmes.

Notons par exemple que l’archéométallurgie présente un intérêt capital pour l’industrie nucléaire, puisque cela permet de savoir comment vieillit un matériau sur plusieurs siècles voire plusieurs millénaires (problème de l’enfouissement des déchets).

Histoire de la métallurgie

Au moment de la première Révolution industrielle, la plupart des peuples de la Terre, sur tous les continents, maîtrisaient déjà la fabrication du fer.

Préhistoire

Les premiers matériaux durs utilisés à la préhistoire sont le bois, l’os et la pierre. On commence à utiliser des métaux sous forme native, par martelage à froid de pépites, et d’abord dans un but secondaire (décoratif). Puis on s’aperçoit qu’en chauffant le métal, il s’assouplit, ce qui facilite son travail, puis fond, ce qui permet de le couler dans un moule. Le métal étant accompagné de roches, on remarque que ces roches se transforment elles-mêmes en métal dans le feu, ce qui donne les premières réductions de minerai.

Définition : Réduction

Réaction chimique durant laquelle le minerai se transforme en métal.

Au début (Néolithique), on travaille évidemment les métaux « mous » (ductiles) : or, argent, cuivre. On a des preuves du travail du cuivre en Mésopotamie (actuel Irak, civilisation sumérienne) au IX^e millénaire avant notre ère, et de l’or en Bulgarie au V^e millénaire avant notre ère.

Définition : Ductilité

Capacité à être déformé

Protohistoire

Le Chalcolithique, l’Âge du cuivre (cette appellation est controversée), correspond à la fin du Néolithique ; on trouve des objets de cuivre fondu datant du VII^e millénaire avant notre ère en Asie mineure, les premières traces d’artisanat du cuivre datent de −4500 en Bulgarie, de −4000 en Égypte (mobilier, ciseaux, couteaux, haches, herminettes), de −2800 en Chine (dynastie Shang), de −2500 dans la vallée de l’Indus (Mohenjo-daro, actuel Pakistan). Elle commence en Europe entre −2500 et −1800. On travaille aussi l’argent et l’électrum (alliage d’or et d’argent). On a en fait une cohabitation de plusieurs cultures, l’artisanat du cuivre, d’importance secondaire, n’entraîne pas de véritable changement culturel et ne détrône pas la pierre pour la fabrication des outils.

Entre −1800 et −1300, on mélange de l’étain et du cuivre ce qui donne naissance au bronze. Cet alliage étant plus dur que les métaux déjà connus, on commence à l’utiliser pour fabriquer des outils, ce qui marque un tournant capital dans la société et l’économie.

Région de production du métal utilisé en Mésopotamie

L’Âge du bronze se développe d’abord en Mésopotamie, zone dépourvue de minerai. Cela atteste des échanges à grande distance. Le bronze est surtout utilisé pour les armes, activité donc non liée à la production agricole. Cela marque une évolution sociale importante, et notamment une spécialisation des rôles : artisans, mineurs ou forgerons, marchands. On voit apparaître une valeur liée à la compétence des personnes et non plus aux biens possédés ou produits, ainsi que de la convoitise et la nécessité de protéger les routes commerciales. L’apparition de ces denrées non périssables permet également l’accumulation de richesses.

La métallurgie, comme toutes les pratiques de cette époque, a une dimension animiste et religieuse. Elle s’accompagne de prières et de chants, qui sont en outre une manière de mesurer le temps (« maîtrise » de la cinétique des transformations). Certaines techniques de cette époque se sont transmises jusqu’à nos jours aux fondeurs de cloche, voire aux fondeurs de fonte, comme par exemple le fait d’utiliser de la bouse de vache pour faire les moules en terre : la bouse contient de la paille qui brûle lors de la coulée et laisse des canaux permettant l’évacuation des gaz.

À cette époque, on travaille aussi le plomb et l’antimoine — anti-monos, « qu’on ne trouve pas seul », car il est trouvé à l’état natif avec d’autre minerais.

Bas fourneau au Moyen Âge en Europe

L’Âge du fer commence vers −1100 dans le monde méditerranéen, et entre −800 et −700 dans le nord de l’Europe (civilisation celtique) et en Chine (période des Printemps et des Automnes). Le fer est plus dur et « plus léger » (moins dense) que le bronze, il le supplante donc rapidement. Mais le travail du fer est plus complexe : il ne se trouve pas à l’état natif, hormis quelques traces d’origine météoritique, et fond à beaucoup plus haute température que le cuivre (1 535 °C contre 1 084 °C). On met le minerai sur une couche de charbon dans un four, appelé « bas fourneau » (cheminée de 1 à 2 m de haut), et l’on obtient une « éponge », encore appelée « massiot » ou « loupe ». La transformation minerai → massiot se fait à l’état solide, par réaction de la roche avec le gaz de combustion. Ce massiot est martelé pour en retirer les scories, ce qui donne le bloc de métal qui est ensuite travaillé par martelage.

Haut fourneau et affinement à l'air par brassage en Chine

Les Chinois connaissent déjà le haut fourneau, qui permet d’atteindre des températures beaucoup plus élevées que le bas fourneau, depuis environ −1000 mais l’utilisaient pour la poterie. Ils commenceront à faire fondre le fer durant la période des Royaumes combattants (entre −453 et −221).

Les oxydes métalliques sont utilisés très tôt comme colorants, en particulier sur les poteries.

Réduction en phase solide par les gaz de combustion

Réduction d'un minerai MO par le monoxyde de carbone CO

Lorsque l'alimentation en air est insuffisante, la combustion est incomplète et crée du monoxyde de carbone CO (un gaz mortel causant des intoxications domestiques lorsque les appareils de chauffage sont mal réglés ou que les aérations des pièces sont obstruées) — bien sûr, à la préhistoire, on ne connaissait pas cette notion, les foyers utilisés sont « naturellement » sous-alimentés en air. Ce gaz réagit avec le minerai et en « capte » l'oxygène pour se transformer en dioxyde de carbone CO₂ (gaz carbonique).

Si l’on note le métal « M », le minerai est un oxyde de métal noté MO (indiquant que c’est un oxyde métallique, que le métal est combiné à de l'oxygène), et la réaction chimique se note de manière schématique

MO + CO → M + CO₂.

C'est la forme générale de la réaction. La forme exacte dépend du minerai considéré.

Le minerai de fer est essentiellement composé d'hématite Fe₂O₃. La réduction se fait en plusieurs étapes, mais au final se traduit par :

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3 CO₂.

La réaction se fait entre un solide, le minerai, et un gaz. Le gaz pénètre dans le minerai par les fissures et pores, mais la pénétration dans les parties compactes ne se fait que très lentement (diffusion), ce qui explique que le processus de réduction soit très lent.

Articles détaillés

Âge du bronze

Histoire

En Europe, le travail du métal a peu évolué durant l’Antiquité et le Moyen Âge. Les Romains inventent les canalisations en plomb et l’acier norique (vers −200), et l’on continue à utiliser le bas fourneau pour le fer tandis que les chinois connaissent déjà la fonte et les hauts fourneaux. On remarque une « croûte » métallique plus dure, l’acier, qui se forme sur le massiot, et l’on sait la récupérer lors du martelage pour l’utiliser, mais on ne sait pas fabriquer l’acier de manière spécifique. Le XIV^e siècle est riche en progrès avec le passage à la production en masse d’acier et la découverte de nouveaux métaux (aluminium, titane).

Sidérurgie

Soufflet mu par la force hydraulique en Chine

En 31, l’ingénieur chinois Du Shi améliore la ventilation avec l’utilisation de la force hydraulique (moulin à eau) pour mouvoir le soufflet. Cela permet d’utiliser une cheminée plus haute et d’atteindre une température plus importante, ce qui mène au haut fourneau. On découvre ainsi la fonte : cet alliage, issu de la réaction du minerai avec le gaz de combustion, fond vers 1 200 °C. On utilise un additif, roche contenant du phosphore en Chine, pour abaisser encore le point de fusion et aider à l’évacuation des impuretés (laitier).

L’acier fait son apparition en Inde entre −300 et 200, on parle d’acier « wootz » (de ukku qui désigne l’acier dans les langues de l’Inde du sud). Il se répand au Moyen-Orient pour donner l’acier de Damas. Il se fabrique alors par cémentation : le fer obtenu dans un bas fourneau est mis dans un four où il réagit avec le gaz de combustion où la température varie de 1 300 à 1 400 °C. Il se forme à l’extérieur une couche de fonte qui fond, le clapotis provoqué indique au forgeron que son acier est prêt. Les lames damassées se répandront en Europe avec les Croisades, mais la fabrication restera secrète et inconnue des Européens.

Au X^e siècle, les savants arabes Calid, Geber, Alchindus et Rhazes découvrent de nombreux dérivés métalliques (oxydes, sulfures, acétates, …). Al-Jazari invente la technique du moule au sable en 1206.

L’utilisation de la force hydraulique apparaît en Europe au XIV^e siècle, et le haut fourneau se répand en Europe du Nord durant le XV^e siècle. On utilise du calcaire (castine) pour abaisser le point de fusion. Alors que le bas fourneau doit être arrêté pour en extraire le massiot solide, le haut fourneau peut être alimenté en continu, puisque l’on peut faire une coulée sans arrêter le feu. La durée d’allumage est très longue, plusieurs mois, mais l’on peut alors faire une à deux coulées par jour.

Au XVIII^e siècle, on sait donc fabriquer de l’acier :

acier « naturel », par décarburation de la fonte (oxydation du carbone contenu dans la fonte par les gaz chauds) ;
acier au creuset, par cémentation, c’est-à-dire carburation du fer lui-même obtenu dans un bas fourneau ; la cémentation se fait en plaçant le fer dans un four avec de la poussière de charbon.

Fer, acier et fonte

La sidérurgie de base fait intervenir du carbone, issu de la combustion du bois ou du charbon, sous la forme de gaz CO. Le carbone se retrouve donc dans le produit de réaction, de manière inévitable. Selon la teneur en carbone, on parle de fer (très faible teneur en carbone), d'acier (teneur moyenne) ou de fonte (forte teneur en carbone).

Le fer, l'acier et la fonte ont des propriétés assez différentes. C'est l'acier qui présente en général les propriétés les plus intéressantes, c’est donc lui que l’on essaie de produire. Cependant, la réduction du minerai, en bas ou en haut fourneau, en produit très peu ; il faut donc en fabriquer à partir de la fonte ou du massiot de fer.

La décarburation, ou affinement ou puddlage, consiste à faire réagir la fonte avec le dioxygène O₂ de l'air. Le dioxygène réagit avec le carbone contenu dans la fonte pour former du dioxyde de carbone CO₂ :

C_{dans la fonte} + O₂ → CO₂.

Le carbone contenu dans la fonte « s'envole » donc sous forme de gaz carbonique, appauvrissant la fonte qui se transforme en acier. Si la fonte est sous forme solide, il s'agit d'une réaction solide/gaz, très lente. Si elle est liquide, on peut accélérer la réaction en brassant la fonte ou bien en faisant buller l'air dans la fonte.

La cémentation consiste à incorporer du carbone dans du fer « pur ». Ce carbone est obtenu à partir du monoxyde de carbone : deux molécules de gaz réagissent entre elles, l'une cède son atome d'oxygène à l'autre, libérant ainsi le carbone qui s'incorpore dans le fer.

2 CO → CO₂ + C (qui s'incorpore dans le fer).

Le fer s'enrichit donc en carbone et devient de l'acier. C'est une réaction solide/gaz qui est donc très lente.

Four à réverbération pour le puddlage

En 1783-1784 apparaît le puddlage, inventé indépendamment par Onions et Cort. La fonte est mélangée avec des scories dans un four à réverbération : la fonte est placée dans une chambre où la fumée transite horizontalement, le plafond réverbère la chaleur, et le bas contient de l'air atmosphérique riche en oxygène (21 %). Cet oxygène vient oxyder le carbone et les scories entraînent les impuretés.

Ces procédés sont étudiés de manière scientifique et améliorés grâce aux progrès de la chimie (Réaumur, Guillot-Duhamel, Lavoisier). En particulier, en 1786, Bertholet, Monge et Vandermonde établissent clairement la distinction entre fer, acier et fonte.

La première Révolution industrielle, au XIX^e siècle permet l’utilisation de la machine à vapeur pour mouvoir les soufflets ; les hauts fourneaux atteignent alors 30 m. Par ailleurs, le coke extrait des mines — grâce à la machine à vapeur qui permet de pomper l’eau qui envahit les galeries — remplace le charbon de bois, ce qui permet de faire face à la pénurie de bois. Le passage à la production de masse entraîne de profond changements sociaux : on passe de l’artisanat à une main d’œuvre issue de la paysannerie.

Four Siemens-Martin

Le procédé d’affinement par puddlage est amélioré par Siemens (1857) puis Martin (1864) ; Siemens récupère la chaleur des gaz pour du préchauffage, ce qui augmente la température du four, et Martin utilise les résidus de production parmi les scories, ce qui permet de les valoriser.

Convertisseur Bessemer

En 1855, Bessemer invente l’affinage de l’acier par soufflage d’air dans la fonte liquide, mais son procédé ne permet pas l’élimination du phosphore qui fragilise l’acier ; il faut donc utiliser des minerais pauvres en phosphore, ce qui exclue les minerais anglais. Le procédé est amélioré par Thomas et Gilchrist en 1877 : suivant une idée de Snelus et Grüner (1872 et 1875), ils réussissent à introduire un élément acide, la dolomie, dans le réfractaire du convertisseur pour éliminer le phosphore.

En 1868, Chernov publie le premier diagramme de phases fer/carbone. En 1879, il publie les principales structures cristallines de l'acier. Cela marque le vrai développement de la métallurgie physique.

Les aciers inoxydables apparaissent au début du XX^e siècle.

Après la Seconde Guerre mondiale, on améliore la qualité des aciers et l’on résout un certain nombre de problèmes de fragilité. En 1952, on remplace le convertissage par soufflage d’air par du soufflage de dioxygène pur.

Les première fusions d’acier par arc électrique datent de 1810 (Davy), mais la première véritable production d’acier électrique date de 1907. Il ne s’agit pas d’une méthode de production d’acier à partir de minerai, mais de fusion d’acier déjà existant. Cela présente l’avantage d’un faible coût d’investissement et permettent le recyclage de ferraille.

Articles détaillés

Histoire de la production de l'acier

Métaux non-ferreux

L’aluminium, quant à lui, est découvert en 1807 par Davy. En 1821, Berthier découvre un minerai riche en aluminium aux Baux-de-Provence, qu’il baptise donc bauxite. C’est Wöhler, en 1827, qui arrive le premier à fabriquer de l’aluminium métallique suffisamment pur. Deville modifie le procédé en 1846 et utilise la réduction par le sodium, mais la production reste très chère. En 1886, Héroult et Hall développent un procédé consistant à dissoudre l’alumine (oxyde d’aluminium) dans un bain fluoré puis à récupérer l’aluminium par électrolyse, ce qui fait chuter le coût de fabrication. L'aluminium est utilisé pour sa légèreté et sa résistance à la corrosion, dans l’aviation, en alimentaire (canette, barquettes, papier alu), pour la menuiserie (fenêtres, portes, vérandas), pour certains cadres de vélo, …

Mentionnons également l’extraction de l’alumine à partir des mêmes minerais : procédé Deville en 1859, procédé Bayer en 1887. L’alumine n’est pas seulement un intermédiaire pour obtenir l’aluminium, mais est surtout une céramique de première importance (réfractaires, abrasifs, supports de catalyseurs).

Le titane est découvert en 1791 par Gregor sous forme d’ilménite (oxyde mixte de fer et de titane), puis par Klaproth en 1795 sous forme de rutile (dioxyde de titane). En 1910, Hunter réussit à extraire du titane pur, et c’est Kroll qui met au point le procédé industriel. Le titane et ses dérivés est très utilisé dans l’aérospatiale, pour les prothèses et pour certains cadres de vélo haute gamme. Une des formes du dioxyde de titane est une poudre blanche, le « blanc de titane », utilisée comme pigment et opacifiant dans de nombreuses applications (peinture, polymères, cachets de médicament, papier, …).

Le nickel est mentionné dans les manuscrits chinois dès le XVIII^e siècle avant notre ère ; mais le métal était souvent confondu avec l’argent, et il sera réellement isolé et caractérisé quelques siècles plus tard. Le minerai de nickel, appelé Rotnickelkies en allemand, est rouge comme le cuivre ; lorsque Cronstedt voulu en extraire du cuivre en 1751, il obtint un métal blanc, le « cuivre blanc ». La première pièce de monnaie de nickel pur fut fondue en 1881 en Suisse ; les francs français étaient en nickel. Il sert à fabriquer les superalliages utilisés pour les applications à haute température (nucléaire, ailettes de réacteurs d’avions). C’est aussi un élément d’alliage, en particulier dans les aciers inoxydables et les aciers de trempe ; il a servi pour les blindages durant la Seconde Guerre mondiale.

Échelle des temps

L'échelle des temps ci-dessous synthétise les principales avancées en métallurgie. Elle utilise un échelle logarithmique : les connaissances progressent en fonction des connaissances déjà accumulées (progression géométrique), le progrès avance de plus en plus vite, il faut donc une échelle qui se « dilate » lorsqu’on avance dans le temps pour que cela reste lisible.

Histoire de la science des matériaux

La sidérurgie s’est industrialisée grâce aux progrès de la chimie et de la physique. Cette compréhension de la matière, de ses propriétés et de sa structure nous mène naturellement à l’histoire de l’atome, concept fondamental pour décrire la matière.

Antiquité

Durant l'Antiquité égyptienne, vers le XIV^e siècle avant notre ère, se développe la phénoménologie. Cette pratique consiste à considérer les phénomènes accessibles aux sens, et notamment visible, plutôt que ce qui est produit par l'esprit (art) ou le « cœur » (foi). Cela donnera notamment naissance au culte du disque solaire, Aton, manifestation visible la plus puissante, par Akhénaton aux dépens des autres dieux. Durant l'Antiquité grecque, on commence à expliquer les phénomènes naturels par des lois plutôt que par l'intervention divine ; cela marque le début du matérialisme. Pour les philosophes présocratiques, et en particulier Leucipe, Démocrite et Épicure, il y a nécessairement un élément de matière indivisible (a-tome) par opposition au néant. C'est aussi à cette époque que naît la théorie des quatre éléments (quatre types d'atomes) : eau, air, terre, feu. Selon l'auteur latin Lucrèce, les atomes sont comme de la poussière dans la lumière, et les quatre atomes se combinent car ils sont crochus.

Dans la Chine antique et médiévale, on pense que le monde obéit aux « décrets du ciel » : on a donc une origine divine, mais pas d'interventionnisme direct des dieux sur le monde. Le monde est pour eux baigné de qi, et la matière est née de la division du qi (yin et yang). La matière est par ailleurs composée selon eux de cinq éléments : eau, bois, feu, terre, métal. Dans le Japon antique et médiéval, on considère également cinq éléments, mais différents : air, eau, feu, terre et vide.

Même si certains concepts peuvent nous sembler exacts et « modernes », il ne s'agit que de considérations a priori, pas d'un savoir construit sur des constatations. On note une confusion entre les notions

d'élément constitutifs,
d'état de la matière (solide, liquide, gaz) et
d'actions (chaleur, lumière).

XVIII^e siècle : Naissance de trois sciences fondamentales

Durant le Moyen Âge, le savoir progresse dans le monde arabo-musulman (voir Civilisation islamique et Sciences et techniques islamiques).

Au XVIII^e siècle, trois sciences vont naître indépendamment :

la chimie, qui mène à la notion d'élément ;
l'étude des gaz, la thermodynamique, qui mène à la notion de particule de matière ;
la minéralogie, qui mène à la notion de « brique élémentaire » d'un solide et à la cristallographie.

Voir l’article de Wikipédia Atome > Histoire de l'atome.

Chimie

Jusque là, la science des « transformations » est l'alchimie. Elle est fondée sur des hypothèses fausses — théorie des quatre éléments, transmutation, … — mais elle a déjà permis de développer du matériel et des méthodes d'étude (cornues de Geber, distillation) et d'accumuler un savoir important.

Expérience de la décomposition de l'air par Lavoisier

Ce sont les savants anglais Black, Cavendish et Priestley qui mènent les premières études importantes dans la compréhension de la chimie : ils identifient les différents gaz de l'air en 1760. En 1775, Lavoisier reformule un principe déjà énoncé dans l'Antiquité grecque, le principe de conservation de la matière, et met en évidence le rôle du dioxygène.

Il commence ainsi à recenser les corps « élémentaires », ceux qui peuvent être isolés par les moyens de l'époque, et à les caractériser. La décomposition des produits complexes en corps élémentaires est la base de l'analyse chimique — analyse, du grec λύσις (lusis), décomposer, dissoudre.

Expérience de Lavoisier

Lavoisier fait chauffer du mercure dans une cornue. Il se forme un film rouge (oxyde de mercure), et il remarque qu'environ 1/5 du gaz a été consommé. Le gaz restant ne permet pas la survie de petits animaux, il baptise donc ce gaz « azote » (a-zoe, impropre à la vie, maintenant appelé diazote). Puis, il enlève le film rouge et le réchauffe ; il remarque que cela restitue la quantité de gaz qui avait disparue, et que ce gaz permet la survie de petits animaux et avive les flammes. Ce gaz sera appelé « oxygène » (qui génère des acides, maintenant appelé dioxygène). En mélangeant les deux gaz, il obtient un milieu similaire à l'air.

Étude des gaz

L'étude des fluides remonte à l'Antiquité grecque (Archimède), mais les premières études expérimentales datent du XVII^e siècle : thermoscope de Santorio (premier thermomètre, 1612), baromètre et vide pompé de Torricelli (1643) et le baromètre de Blaise Pascal (1646), étude de l'expansion des gaz par Roberval (1647), étude et mesure de la pression atmosphérique par Pascal et Perrier (1648), relations entre pression et volume par Boyle et Mariotte (1660 et 1685), et notion du zéro absolu par Amontons (1702).

Gaz formé de particules volantes

version animée

Le XVIII^e siècle marque l'arrivée de la théorie cinétique des gaz, c'est-à-dire l'explication des relations entre pression, température et volume par des particules volantes. Cette idée a été évoquée par Descartes en 1643, mais il s'agit à l'époque d'un a priori sans fondement ; il parle plus exactement de « particules tourbillonnantes », et imagine de même que les planètes tournent autour du Soleil car elles sont entraînées par un tourbillon… Entre 1716 et 1733, les mathématiciens Hermann, Euler et Bernoulli effectuent des calculs modélisant les gaz par des particules s'entrechoquant, et obtiennent un bon accord avec la réalité.

Minéralogie

Les minéraux prennent naturellement des formes régulières

En 1772, Romé de Lisle s'inspire de la classification des espèces (taxonomie) par Linné pour recenser et classer les minéraux en fonction de la forme de leurs cristaux. En 1782, Haüy fait l'hypothèse que la forme extérieure d'un cristal reflète sa structure interne.

XIX^e siècle : Convergence des trois sciences et concept de l'atome

Tableau périodique moderne

Chimie

En 1804, Dalton établit que les éléments réagissent en proportions massiques entières ; les éléments diffèrent de leur masse unitaire.
Mendéléïev remarque que les propriétés des éléments varient de manière cyclique en fonction de leur masse élémentaire, et crée un tableau de classification périodique en 1869.

Étude des gaz

En 1808, Gay-Lussac remarque que les gaz réagissent en proportion volumiques entières.
En 1811, Avogadro établit que les gaz peuvent être faits de plusieurs atomes, et définit la différence entre un atome et une molécule.
En 1821, Herapath utilise la théorie cinétique pour expliquer la transmission du son et les changements d'état (solide, liquide, gaz).
En 1827, le botaniste Brown étudie le mouvement aléatoire des grains de pollen dans l'eau ; ce modèle est repris pour le mouvement des molécules de gaz (mouvement brownien).

Molécule de dioxygène O₂
Molécule de monoxyde de carbone CO
Molécule d'eau
Début d’une formule chimique
H₂O
Fin d’une formule chimique
Mouvement brownien dans l'espace

Cristallographie

1840-1847 : Delafosse et Pasteur établissent le rapport entre forme des molécules et organisation des cristaux.
En 1849, Bravais expose les 32 réseaux cristallins possibles.

À la fin du XIX^e siècle, on a donc établi que l'atome est la « brique élémentaire » de la matière, que ses propriétés dépendent de manière périodique de sa masse, qu’il s'assemble en molécules ou en cristaux et que cette organisation permette d'expliquer le comportement des gaz, des cristaux et les réactions chimiques.

XX^e siècle : La physique quantique

En 1865, Maxwell met en forme les équations de l'électromagnétisme. Cela permet de calculer la vitesse d'une onde électromagnétique et de voir que c’est la vitesse que l’on a mesuré pour la lumière (Rømer en 1676, Fizeau en 1849). Cela établit que la lumière est une onde électromagnétique.
En 1897, Thompson découvre l'électron. C'est la première division de l'atome — qui du coup n'est plus insécable — et propose le modèle du plum pudding (flan au pruneaux) : puisque l'atome est neutre et que l’on peut en détacher des particules chargées négativement, il imagine que les électrons sont noyés dans une « pâte » positive.
En 1895, Röntgen découvre les rayons X. En 1896, Becquerel découvre « l'hyperphosphorescence » que Marie Curie baptise « radioactivité » en 1898.
En 1905, Einstein propose le modèle du photon pour expliquer l'effet photo-électrique : la lumière est une onde, mais elle se comporte aussi comme une particule puisque les interactions se font « par paquet », on a donc des « paquets d'onde ».

Expérience de Rutherford

En 1911, Rutherford bombarde une feuille d'or de particules α (particules positives produites par radioactivité), et remarque que
- la plupart passent au travers, la matière est donc « pleine de trous » ;
- certaines particules font demi-tour comme si elles avaient été repoussées par des charges positives (les + se repoussent entre eux).

Il en déduit que contrairement au modèle du plum pudding, ce sont les charges positives qui sont concentrées ; il propose un modèle planétaire pour l'atome, les électrons tournant autour des noyaux positifs.

En 1913, Bohr oppose à ce modèle le fait que des charges tournant devraient perdre leur énergie, l'atome ne serait pas stable. Il propose donc un modèle planétaire dans lequel seules certaines orbites seraient occupées. Il ne propose pas de mécanisme fondamental pour expliquer cela.
En 1914, Laue obtient le prix Nobel pour ses travaux sur la diffraction des rayons X sur un cristal. Cette méthode met en évidence l'organisation des atomes, et confirme les observations sur la forme des cristaux. En 1915, W. L. et W. H. Bragg obtiennent le prix Nobel pour leur travaux sur la diffraction de poudres de cristaux, méthode plus pratique que la méthode de Laue.
En 1924, de Broglie postule la dualité onde-particule : de même que la lumière est une onde et se décompose en particules, toute particule devrait se comporter comme une onde.
En 1926, Schrödinger propose un modèle unifiant cela : les électrons sont des particules et des ondes, ce ne sont donc pas des boules qui tournent autour du noyau mais un nuage, un brouillard qui l'entoure. Comme il n'y a plus de mouvement, il n'y a plus non plus de perte d'énergie par rayonnement. Le nuage peut être plus ou moins gros, ce qui correspond aux orbites définies par Bohr, mais peuvent aussi prendre différentes formes.

Électromagnétisme et stabilité de l'atome

Les équations de Maxwell mettent en évidence le fait qu'une particule chargée qui se déplace rayonne de l'énergie. C'est le phénomène utilisé pour les ondes radio : des charges — les électrons du métal — font des allers-retours dans l'antenne émettrice — courant alternatif —, ce qui émet des ondes. Les ondes peuvent être captées à plusieurs centaines, voir milliers de kilomètres : les électrons de l'antenne réceptrice sont mis en mouvement, on a donc une « transmission de mouvement à distance » des électrons de l'antenne émettrice à l'antenne réceptrice. Cette émission d'ondes radio provoque un ralentissement des charges de l'antenne émettrice, le courant doit donc être entretenu, il faut dépenser de l'électricité pour émettre. De même, si les électrons tournaient autour du noyau, ils se comporteraient comme une antenne. Perdant leur énergie, ils ralentiraient et viendraient s'écraser sur le noyau. l'atome ne serait pas stable.

Paquet d'onde, modèle d'Einstein pour le photon
Modèle d'atome de Thomson (plum pudding)
Modèle d'atome de Rutherford
Modèle d'atome de Bohr
Formes du nuage électronique de l'atome d'hydrogène, d’après le modèle de Schrödinger

Article détaillé :

Chronologie de la physique microscopique

Voir aussi

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Leçons associées

Néolithique : une révolution ?

Liens externes

Claire König, « L'âge du fer : quelques étapes », sur Futura-sciences.com (consulté le 24 mai 2009)
Patrice Christmann, « Développement économique et croissance des usages des métaux », Annales des Mines - Responsabilité et environnement, vol. 2016/2, n^o 82, 2016-04-22 [texte intégral lien DOI (pages consultées le 2022-01-13)]

Introduction à la science des matériaux

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Choix d'un matériau