Modèles atomiques

L’atome est la plus petite particule caract√©ristique d’un √©l√©ment. La difficult√© d’observer l’atome a incit√© de nombreux scientifiques √† proposer mod√®les atomiques pour aider √† comprendre et √©tudier sa structure et son comportement.

En tant que tel, l’observation des atomes est impossible √† l’Ňďil nu, et ce n’est que r√©cemment que nous avons la technologie disponible pour visualiser un atome.

Bien que l’id√©e originale de l’existence d’atomes soit n√©e dans la Gr√®ce antique au 5√®me si√®cle avant JC. de C. gr√Ęce √† D√©mocrite, le premier mod√®le de l’atome n’a vu la lumi√®re que dans le si√®cle XIX.

Le modèle atomique de Dalton

Modèle Dalton

Dalton a repr√©sent√© l’atome comme une sph√®re solide.

En √©tudiant les lois des gaz, le m√©t√©orologue anglais John Dalton (1766-1844) proposa la premi√®re th√©orie atomique. Selon lui, l’atome √©tait la plus petite partie de la mati√®re, celle qui ne pouvait plus se diviser.

La fa√ßon de repr√©senter l’atome √©tait comme une sph√®re solide, semblable √† une boule de billard. En fait, Dalton et ceux qui ont soutenu sa th√©orie ont sculpt√© des boules de diff√©rentes tailles dans du bois, simulant des atomes d’√©l√©ments diff√©rents. √Ä l’√©poque, l’existence de l’√©lectron et du proton √©tait compl√®tement inconnue, de sorte que le mod√®le de Dalton a persist√© pendant pr√®s d’un si√®cle.

Voir aussi le modèle atomique de Dalton.

Le modèle atomique de Thomson

En 1897, le physicien anglais Joseph John Thomson (1865-1940), travaillant avec des tubes à vide, a pu montrer la déviation des rayons cathodiques dans un champ électrique. À cette époque, il était admis que les rayons cathodiques étaient des flux de particules chargées négativement.

En 1891, le physicien irlandais George Johnstone Stoney (1826-1911) a sugg√©r√© le nom d’√©lectron pour d√©signer la substance qui produit de l’√©lectricit√©. En son honneur, Thomson a nomm√© les particules qu’il a d√©couvertes √©lectron.

Les idées de Thomson sont résumées ci-dessous:

  • Les protons et les √©lectrons sont des particules de charges √©gales mais de signe oppos√©.
  • Dans un atome neutre, la charge est nulle, car le nombre d’√©lectrons n√©gatifs est √©gal au nombre de protons positifs.
  • Un atome a la forme d’une sph√®re d’un rayon de 0,00000001 cm, o√Ļ protons et √©lectrons sont r√©partis de mani√®re al√©atoire.
  • La masse des √©lectrons n’est pas prise en compte en raison de son insignifiance, donc la masse de l’atome est √©gale √† la masse des protons.

C’est ainsi que Thomson a sugg√©r√© que l’atome √©tait une sph√®re solide de mati√®re charg√©e positivement avec des √©lectrons n√©gatifs coll√©s dedans, comme des raisins secs dans un g√Ęteau ou un pudding.

Cependant, l’id√©e d’un atome solide charg√© positivement ne tient pas. Ce mod√®le ne montre pas non plus de neutrons.

Le modèle atomique de Perrin

modèle perrrin

Perrin a suggéré que les atomes étaient constitués de soleils positifs entourés de petites planètes négatives, comme le système solaire.

Le physicien fran√ßais Jean Perrin (1870-1942) a publi√© en 1901 ce qui serait le premier mod√®le bas√© sur le syst√®me plan√©taire. La radioactivit√© pourrait s’expliquer par la diminution de l’attraction √©lectrique du soleil atomique par les √©lectrons les plus externes (les Neptunes du syst√®me, comme les appelait Perrin).

Cependant, ce mod√®le n’√©tait qu’une simple esquisse et Perrin ne montrait aucun int√©r√™t √† poursuivre son √©tude. En fait, Perrin a remport√© le prix Nobel de physique en 1926 pour ses travaux sur le mouvement des particules dans les fluides.

Fait int√©ressant, en 1924, Perrin √©tait membre du jury de la th√®se de Louis de Broglie, o√Ļ il montrait les propri√©t√©s d’onde des √©lectrons.

Modèle atomique de Nagaoka

Modèle atomique de Nagaoka

Le modèle atomique de Nagaoka est connu sous le nom de modèle saturnien.

Le physicien japonais Hantaro Nagaoka (1865-1950) a propos√© en 1903 un mod√®le atomique avec des √©lectrons en orbite autour d’une grande masse centrale positive. Ses recherches ont √©t√© publi√©es en anglais en 1904.

Selon Nagaoka, le système de particules était similaire au système de Saturne. Cela consistait en:

  • Un grand nombre de particules de masse √©gale dispos√©es en cercles qui se repoussent;
  • Une masse centrale charg√©e positivement qui attire les autres particules charg√©es n√©gativement, avec la formation d’anneaux cons√©quente.

Cette configuration pourrait expliquer les ph√©nom√®nes de radioactivit√© r√©cemment d√©couverts, et les spectres d’√©mission lumineuse des √©l√©ments.

Modèle atomique de Rutherford

Modèle de Rutherford

Pour Rutherford, l’atome √©tait comme le syst√®me solaire.

Il revint √† un brillant √©l√®ve de JJ Thomson, le physicien n√©o-z√©landais Ernest Rutherford (1871-1937), de r√©soudre le probl√®me de la structure de l’atome en 1911, en Angleterre.

Profitant de la d√©couverte de la radioactivit√© en 1896, Rutherford et ses √©tudiants, Hans Geiger et Ernest Marsden, utilis√®rent des particules radioactives alpha √† haute vitesse et √† haute √©nergie, bombard√®rent des √©l√©ments chimiques et calcul√®rent l’angle de d√©viation (diffusion) des particules.

Si l’atome √©tait comme le mod√®le propos√© par Thomson, les particules alpha passeraient √† travers l’√©l√©ment et l’√©cart serait minime. Au lieu de cela, ils ont observ√© que certaines particules rebondissaient. Cela ne pourrait s’expliquer que si l’atome avait un noyau tr√®s petit et condens√©.

De ces résultats, Rutherford a extrait les postulats suivants:

  • Il y a une petite r√©gion dense charg√©e positivement appel√©e le noyau.
  • La masse de l’atome est approximativement √©gale √† la masse des protons et des √©lectrons.
  • Les protons √† l’int√©rieur du noyau sont concentr√©s au centre de l’atome et les √©lectrons sont r√©partis au hasard autour d’eux.

Rutherford a alors propos√© que l’atome √©tait comme le syst√®me solaire o√Ļ le noyau √©tait le Soleil et les √©lectrons √©taient les plan√®tes qui tournaient autour de lui.

Modèle atomique de Bohr

Modèle Bohr

Le mod√®le Bohr ressemble aux couches d’un oignon.

Le mod√®le plan√©taire de l’atome avait des probl√®mes: si les √©lectrons tournaient librement autour du noyau, ils perdraient de l’√©nergie et s’effondreraient √† un moment donn√© dans le noyau.

Niels Bohr (1885-1962) est all√© √† l’Universit√© de Manchester en Angleterre pour √©tudier avec Rutherford. Ce jeune physicien danois a invent√© en 1913 le mod√®le atomique qui d√©tr√īnerait le mod√®le propos√© quelques ann√©es plus t√īt par son professeur.

Bohr a utilis√© les id√©es de Max Planck et Albert Einstein et a postul√© que les √©lectrons pouvaient avoir une certaine quantit√© d’√©nergie. Il a arrang√© les √©lectrons sur des orbites circulaires avec une quantit√© d’√©nergie sp√©cifique. Il a √©galement expliqu√© que si un √©lectron sautait d’une orbitale √† haute √©nergie √† une orbitale inf√©rieure, cela produirait un photon, r√©solvant ainsi √©galement le ph√©nom√®ne des spectres d’absorption des √©l√©ments.

Les postulats de Niels Bohr sont résumés comme suit:

  • Les √©lectrons d’un atome se d√©placent de mani√®re stable √† une certaine distance du noyau avec une √©nergie d√©finie. C’est ce qu’on appelle l’√©tat d’√©quilibre.
  • Les √©lectrons dans chaque √©tat stationnaire suivent une trajectoire circulaire ou une orbite. Chaque orbite est appel√©e ¬ęniveau d’√©nergie¬Ľ ou ¬ęcouche¬Ľ.
  • Lorsque l’√©lectron est √† l’√©tat stationnaire, il ne produit pas de lumi√®re (photon). Cependant, lorsqu’il baisse de niveau d’√©nergie, il √©met un photon.
  • Les niveaux stationnaires, ou couches, sont nomm√©s par les lettres K, L, M, N, etc.

Les postulats de Bohr ont conduit √† la repr√©sentation de l’atome comme les couches ou les anneaux d’un oignon. Cependant, le mod√®le de Bohr n’a pas aid√© √† expliquer les atomes avec plus d’un √©lectron.

Voir aussi le modèle atomique de Bohr

Mod√®le m√©canique quantique de l’atome

Atome moderne

Repr√©sentation actuelle de l’atome avec des nuages ‚Äč‚Äč√©lectroniques entourant le petit noyau.

Le mod√®le de m√©canique quantique de l’atome est le mod√®le actuellement accept√©. Les trois physiciens qui ont contribu√© √† la connaissance de l’atome moderne sont Werner Heisenberg (1901-1976), Louis de Broglie (1892-1987) et Erwin Schr√∂dinger (1887-1961).

Dans ce cas, l’√©lectron se comporte comme une onde stationnaire et on ne parle plus d’orbites mais de nuages ‚Äč‚Äč√©lectroniques. Les nuages ‚Äč‚Äč√©lectroniques sont des espaces autour du noyau o√Ļ l’√©lectron peut probablement √™tre trouv√©.

Ici, chaque électron a une direction spécifique reflétée dans les nombres quantiques, qui sont quatre:

  • Nombre quantique principal: le niveau d’√©nergie n = 1 (K), 2 (L), 3 (M), 4 (N) …
  • Nombre quantique secondaire: la sous-couche l = s, p, d, f.
  • Nombre quantique magn√©tique: l’orbitale m = x, y, z.
  • Spin quantique: le type de spin de l’√©lectron s = +1/2, -1/2.

En ce sens, deux √©lectrons n’ont pas les m√™mes nombres quantiques. Ceci est connu comme le principe d’exclusion de Pauli, merci au physicien autrichien Wolfgang Pauli (1900-1958).

Qu’y a-t-il de nouveau dans l’atome?

grand collisionneur de hadrons

Le grand collisionneur de hadrons est la technologie la plus avancée pour détecter les particules subatomiques.

En 1932, James Chadwick (1891-1974) a d√©couvert le neutron, une particule subatomique insaisissable et difficile √† d√©tecter. Le neutron se trouve dans le noyau de tous les atomes sauf l’hydrog√®ne. Il n’a pas de charge et sa masse est l√©g√®rement sup√©rieure √† celle du proton.

En 1970, Albert Victor Crewe (1927-2009) a photographi√© des atomes d’uranium et de thorium √† l’aide d’un microscope √©lectronique √† transmission √† balayage.

Aujourd’hui, on sait que l’atome n’est pas seulement compos√© d’√©lectrons, de protons et de neutrons. Ceux-ci sont √† leur tour constitu√©s de particules √©l√©mentaires appel√©es bosons et fermions.

La mod√®le la norme c’est un mod√®le math√©matique qui regroupe les particules √©l√©mentaires et explique les forces qui les gouvernent. Le grand collisionneur de hadrons est la technologie que les physiciens utilisent aujourd’hui pour √©tudier ces particules.

 

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