Le modèle atomique

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Le modèle atomique, la découverte de ce à quoi ressemble un atome, est le fruit d'une réflexion et d'expériences qui se sont déroulées sur plusieurs siècles ! Le modèle atomique a évolué, été modifié, été remis en question tout au long de l'histoire.

I. Le modèle atomique simplifié (Rutherford-Chadwick)


I.1. Structure de l'atome

Structure de l'atome de carbone (composé de 6 protons et 6 électrons).
Un atome peut être représenter comme une sphère dont la taille est de l'ordre du milliardième de mètre (10-10 m). Cet atome est constitué majoritairement de vide. Des particules occupent le reste du volume.
On retrouve au centre du volume, un noyau très petit, près de 10 000 fois plus petit que l'atome (de l'ordre de 10-14 m). Ce noyau abrite des particules qui constituent la majorité de la masse de l'atome tout entier. Parmi ces particules, localisées dans le noyau, que l'on  appelle des nucléons, on retrouve des particules de charge positive : les protons. Ils sont symbolisés p+. Le noyau est donc positif.
On retrouve autour du noyau des particules qui gravitent : les électrons. Ces particules sont de charge négative et sont notées e-.
Dans un atome, le nombre de particules positives (les protons) et le nombre de particules négatives (les électrons) sont présents en même quantité. La somme de ces charges donne un atome électriquement neutre. Le nombre de protons est indiqué par le numéro atomique (Z).

I.2. Détermination de la composition des atomes d'un élément chimique

Le nombre de protons détermine la nature de l'élément. Ainsi tous les atomes de lithium (Li) posséderont dans leur noyau 3 protons (3 charges +) et comme un atome est neutre d'un point de vue électrique, 3 électrons (3 charges -) graviteront autour de ce noyau.
Il en va de même pour l'élément sodium (Na), son noyau sera constitué de 11 protons (11 charges positives) et 11 électrons (11 charges négatives)  graviteront autour de celui-ci ... Et il en sera de même pour tous les autres éléments.
Le nombre de protons est déterminé par le nombre atomique Z, qui est présent dans les cases formant le tableau périodique des éléments.

Les électrons ne sont pas répartis au hasard autour du noyau, mais selon des niveaux d'énergie et des zones spécifiques. L'emplacement et la distribution des électrons sera étudiée par Niels Bohr pendant la même période que celle des travaux de Rutherford et Chadwick.


II. Evolution du modèle de l'atome de -400 à 1940

[réécrit d'après WOLLBRETT Cyberic avec son aimable autorisation]
Parcourons les premières étapes de l'histoire de l'atome (-492 à 1930)
 
  • -492 | LES QUATRE ELEMENTS D'EMPEDOCLE D'AGRIGENTE
Empédocle (vers 492-432 av. J.-C.), philosophe grec divisa la matière en quatre éléments, qu'il appela également "racines":
 
 

Ces éléments sont mus par les forces de l'amour et de la haine.
"Dans l'amour absolu, ils forment une unité homogène, alors que la haine les sépare". Lorsque ces deux forces entrent en conflit, le mélange des éléments fait surgir les choses matérielles.
Cette vision de la matière, très imagée, dessine déjà une réalité scientifique : Les "éléments" soumis à des forces attractives ou répulsives.

  • -440 | LES GRECS ATOMISTES
Le mot "atome" vient du grec "a-tomos" et signifie " insécable ". Cette notion fut inventée par Leucippe de Milet en 420 avant J.C.
Son disciple, Démocrite d'Abdère (vers 450-360 av. J.-C.), expliquait que la matière était constituée de corpuscules en perpétuel mouvement et dotés de qualités idéales;
"Les atomes se déplacent de manière tourbillonnaire dans tout l’univers, et sont à l’origine de tous les composés , ce qui comprend également tous les éléments (feu, eau, air et terre). Les atomes se meuvent éternellement dans le vide infini. Ils entrent parfois en collision et rebondissent au hasard ou s’associent selon leurs formes, mais ne se confondent jamais. La génération est alors une réunion d’atome, et la destruction, une séparation, les atomes se maintenant ensemble jusqu’à ce qu’une force plus forte vienne les disperser de l’extérieur. C’est sous l’action des atomes et du vide que les choses s’accroissent ou se désagrègent : ces mouvements constituent les modifications des choses sensibles. Ces agglomérations et ces enchevêtrements d’atomes constituent ainsi le devenir. L’être n’est donc pas un, mais est composé de corpuscules."
Ces corpuscules étaient:
  • invisibles à cause de leur extrême petitesse
  • insécables ou indivisibles comme leur nom l'indique
  • pleins (pas de vide à l'intérieur)
  • éternels car parfaits
  • entourés d'un espace vide (pour expliquer le mouvement et les changements de densité)
  • ayant une infinité de formes (pour expliquer la diversité observée dans la nature)
Durant de longs siècles, cette théorie de l'atome sera oubliée et seule la théorie des quatre éléments d'Empédocle sera véhiculée par les savants.
 ... plusieurs siècles plus tard
 
  • 500 / 1500 | L'ALCHIMIE DU MOYEN-AGE
Née au Moyen-âge, l'alchimie est née des progrès de la métallurgie et de l'insuffisance de la théorie des 4 éléments à représenter la diversité de la matière.
"chimie" Encyclopédie de Diderot et d'Alembert 1752Le grand projet de l'alchimie était d'obtenir la transmutation des métaux "vils" (tel que le cuivre) en métaux "nobles" tel que l'or. L'activité des alchimistes s'entourait de secret et s'inscrivait dans une démarche mélangeant ésotérisme et occultisme. Les alchimistes étaient parfois considérés comme des sorciers.
La démarche de l'alchimie établissait des liens symboliques qui unissaient le microcosme au macrocosme (monde des planètes). Par exemple, l'élément Plomb était associé à la planète Saturne car celle-ci nous apparaît d'une couleur jaune "plombée".
Malgré leur croyance ésotérique, les alchimistes développèrent l'observation, l'expérimentation, la mesure et la classification des éléments: l'alchimie est donc un précurseur respectable de la chimie. D'ailleurs  Newton en fut adepte et la physique actuelle a réalisé le vieux rêve de la transmutation en transformant certains atomes en d'autres.
 1500 - 1800
 
  • 1803 | LE RETOUR DE L'ATOME
John DALTON, chimiste, anglais, (1766-1844), en 1803 :
1803 - Reprend la théorie de Démocrite (particules infimes et indivisibles), mais compare ces particules à de petites billes. Tous les atomes d'un même élément sont identiques et les atomes sont différents d'un élément à l'autre
En 1794, il présente un article donnant la première description du daltonisme, maladie dont il souffre. En 1803, il propose pour la première fois sa théorie selon laquelle la matière est composée d'atomes de masses différentes qui se combinent selon des proportions simples. Cette théorie (qui est sa plus importante contribution à la science) est la pierre angulaire de la chimie moderne. 
En 1808 paraît Un nouveau système de philosophie chimique. Dans ce livre, Dalton dresse la liste des masses atomiques d'un certain nombre d'éléments rapportés à la masse de l'hydrogène. Tout en n'étant pas entièrement correctes, ses masses forment la base de la table périodique moderne des éléments. Dalton est arrivé à sa théorie atomique par une étude des propriétés physiques de l'air atmosphérique et des autres gaz. Au cours de ses recherches, il découvre la loi des pressions partielles des mélanges gazeux (loi de Dalton), selon laquelle la pression totale exercée par un mélange de gaz est égale à la somme des pressions individuelles qu'exercerait chacun des gaz s'il occupait seul le volume entier. Il a fait progresser la chimie car il énonça la loi des proportionnalités multiples et celles des mélanges des gaz.

  • 1897 | LA DECOUVERTE DE L'ELECTRON
    • Le modèle de Thomson
en 1897, Thomson, physicien, anglais, (1856-1940) découvre le premier composant de l'atome: l' électron , particule de charge électrique négative.
En 1904, il propose un premier modèle d'atome, surnommé depuis "le pudding de Thomson".
Il imagine l'atome comme une sphère remplie d'une substance électriquement positive et fourrée d'électrons négatifs "comme des raisins dans un cake".
En 1897, Thomson prouve expérimentalement l'existence des électrons. La même année, il énonça son modèle de l'atome, le modèle de plum pudding. Il fut proposé en 1904 avant la découverte du noyau atomique. Dans ce modèle, l'atome est composé d'électrons (que J.J. Thomson continuait à appeler « corpuscules », plongés dans une « soupe » de charge positive pour équilibrer la charge négative des électrons, comme des prunes (plum en anglais) dans un pudding. Les électrons (comme nous les connaissons aujourd'hui) étaient considérés comme dispersés au sein de l'atome.

  • 1912 | LA DECOUVERTE DU NOYAU
    • Le modèle de Rutherford
En 1912, Rutherford , physicien, [néo-zélandais] anglais, (1871-1937), découvre le noyau atomique .
Son nouveau modèle d'atome montre que sa charge électrique positive, ainsi que l'essentiel de sa masse, est concentrée en un noyau quasi-ponctuel.
Les électrons de l'atome se déplacent autour de ce noyau telles des planètes autour du Soleil, et la force électrique attractive (la charge - de l'électron attirant la charge + du noyau) joue le rôle de la force de gravitation pour les planètes; d'où le nom de modèle d'atome planétaire .
A noter que contrairement à l'atome des Grecs, celui de Rutherford n'est ni indivisible (puisque composite), ni plein puisqu'il contient essentiellement du vide: La distance noyau-électrons est 100.000 fois plus grande que le diamètre du noyau lui même (diamètre du noyau = 10-15 mètre = 1 Fermi).
Ernest Rutherford (né le 30 août 1871 à Brightwater, Nouvelle-Zélande - décédé le 19 octobre 1937 à Cambridge, Angleterre) est considéré comme le père de la physique nucléaire. Il a découvert les rayonnements alpha, les rayonnements bêta. Il a aussi découvert que la radioactivité s'accompagnait d'une désintégration des éléments chimiques, ce qui lui valut un prix Nobel de chimie en 1908. C'est encore lui qui a mis en évidence l'existence d'un noyau atomique, dans lequel étaient réunies toute la charge positive et presque toute la masse de l'atome, et qui a réussi la toute première transmutation artificielle. [Un vieux rêve d'alchimiste !]
C'est en 1911 qu'il découvre le noyau atomique. Il avait observé à Montréal qu'en bombardant une fine feuille de mica avec des particules alpha, on obtenait une déviation de ces particules. Geiger et Marsden refaisant de façon plus poussée ces expériences et en utilisant une feuille d'or, constatèrent que certaines particules alpha étaient déviées de plus de 90 degrés. Rutherford émit alors l'hypothèse, dont Geiger et Marsden confrontèrent les conclusions à l'expérience, qu'au centre de l'atome devait se trouver un « noyau » contenant presque toute la masse et toute la charge positive de l'atome, les électrons déterminant en fait la taille de l'atome.
Le modèle planétaire de l'atome présente un gros défaut. Les électrons peuvent émettre de la lumière sous certaines conditions (dans un ampoule électrique par exemple); ce faisant, ils perdent de l'énergie et devraient donc se rapprocher dangereusement du noyau jusqu'à s'y écraser!
Un tel atome ne serait donc pas stable.
  • 1913 | L'ATOME DE BOHR
    • Le modèle de Bohr
Afin de rendre compte de cette stabilité atomique, Niels Bohr crée en 1913 un nouveau modèle d'atome:
Les orbites des électrons ne sont pas quelconques mais "quantifiées"; seules certaines orbites particulières sont permises pour l'électron. Ce n'est que lorsque celui-ci saute d'une orbite à l'autre qu'il peut émettre (ou absorber) de la lumière.
 


  • 1932 | LA DECOUVERTE DES NEUTRONS
Rutherford comprend que le noyau est lui-même composé de nucléons . Ces nucléons sont de deux sortes:
  • de charge positive, c'est un proton .
  • de charge neutre, c'est un neutron
Le neutron sera effectivement découvert en 1932 par Chadwick .
James Chadwick (né le 20 octobre 1891 et mort le 24 juillet 1974) est un physicien britannique. Il a découvert l'existence du neutron, en 1932. Cette découverte a mené directement à la fission nucléaire et à la bombe atomique. Il a reçu un prix Nobel pour cet avancement pour la science.
James Chadwick, fut l’assistant de Rutherford. Il entendit Rutherford formuler l’idée d’une sorte d’atome de masse 1 et de charge 0 qui n’était pas l’hydrogène : cet objet, n’étant pas sujet aux répulsions électriques que subissaient les protons et les particules alpha, devait pouvoir s’approcher des noyaux et y pénétrer facilement. Chadwick se souvint 12 ans plus tard de cette communication, quand il eut à interpréter les résultats de ses expériences.
 







  • 1930 | VERS LA PHYSIQUE QUANTIQUE
    • Le modèle de Schrödinger
Le modèle de Bohr est le dernier modèle obéissant à la physique classique , c'est-à-dire la physique qui explique les mouvements et les phénomènes existant à notre échelle humaine. Ces modèles d'atomes sont donc faciles à comprendre et à se représenter.
Ce modèle est d'ailleurs toujours celui que le grand public affectionne!
Eh bien ce modèle est faux car, à l'échelle atomique, de nouvelles lois s'appliquent! Ces lois appartiennent à une étrange physique très éloignée de nos concepts habituels..
 

L'expérience de Rutherford [Geiger et Marsden]: 

 Grâce à cette expérience, Ernest Rutherford et ses collaborateurs ont pu mettre en évidence une propriété importante des atomes, ils sont en majorité composés de vide. En utilisant les particules alpha émises que certains corps radioactifs émettent, ils ont pu créer un "pistolet" à rayon alpha.  Le faisceau ainsi créé est ensuite dirigé vers un écran fluorescent circulaire. Lorsqu'il n'y a pas de corps solide entre le faisceau et l'écran, une seule tache lumineuse apparaît exactement au point d'impact des particules alpha.
Lorsque l'on place un corps (ici une mince feuille d'or d'épaisseur 1.10-6m), on peut observer la même tache d'impact mais également d'autres points d'impact (taches lumineuses). Ce qui signifie donc que certaines particules sont déviées ou heurtent quelque chose alors que la majorité ne sont pas déviées.
L'on peut donc en conclure que la majorité d'un atome est composé de vide. Et c'est à cette conclusion qu'aboutirent Rutherford et ses collaborateurs.

Estimation de la taille d'un noyau

L'expérience de Rutherford permet d'estimer la taille de l'atome en mesurant l'énergie des particules ayant rebondi sur le noyau, c'est-à-dire ayant été diffusées avec un angle de 180°. Ce sont ces particules qui s'approchent le plus possible du noyau. La conservation de l'énergie dit que :
\frac{1}{2} mv^2 = \frac{1}{4\pi \epsilon_0} \cdot \frac{q_1 q_2}{a_0}
où a0 est l'estimation de la taille du noyau, ou bien la distance minimale d'approche du noyau.
Il est alors possible d'en déduire a0 :
a_0 = \frac{1}{4\pi \epsilon_0} \cdot \frac{2 q_1 q_2}{mv^2}
Dans l'expérience de Rutherford, les valeurs sont :
  • la masse m = 6.7×10−27 kg,
  • la charge d'une particule alpha q1 = 2×(1.6×10−19) C,
  • la charge d'un noyau d'or q2 = 79×(1.6×10−19) C
  • la vitesse initiale des particules alpha v = 2×107 m/s
Le calcul donne une estimation de 2.7×10−14 m pour la taille d'un noyau d'or.

exercice ; http://www.lachimie.net/index.php?page=7e#.WQz7231rvIU