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Histoire du modèle de l'atome

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Objectif

Connaitre l'histoire du modèle de l'atome.

Niveau préconisé : 3^e

Points clés

La notion d’atome apparait au 5^e siècle avant J.–C., grâce à Démocrite, un philosophe grec. Il considère que la matière est constituée de petites particules, invisibles et insécables (qui ne peuvent pas être coupées). Cette théorie est oubliée jusqu’au début du 19^e siècle.
Des scientifiques (Dalton puis Thomson), affirment alors l’existence de l’atome et ils en découvrent la structure générale.
Rutherford propose ensuite un modèle planétaire de l'atome (où les électrons gravitent autour du noyau comme les planètes autour du Soleil). Il découvre pour cela l’existence du noyau, situé au centre de l’atome.
Un peu plus tard, le chimiste Bohr développe le modèle de l’atome, en expliquant que les électrons ont une trajectoire bien précise autour du noyau.
La trajectoire des électrons est ensuite affinée par le physicien Schrödinger. Il découvre en effet qu’il n’est pas possible de savoir où se trouve un électron car ils n’ont pas de trajectoire bien définie, comme le pensait Rutherford.

La matière est constituée de petits « grains » invisibles à l'œil nu : les atomes.

Même si les études sur l'atome n'ont vraiment débuté qu'au début du 19^e siècle, la notion d’atome n’est pas récente.

Elle apparait au 5^e siècle avant J-C grâce à Démocrite, un philosophe grec. Il considère que la matière est constituée de petites particules, invisibles et insécables (qui ne peuvent pas être coupées).

Cependant, Démocrite ne reçoit pas d’appui et c’est la théorie des quatre éléments (l’eau, le feu, la terre et l’air) qui domine jusqu’au début du 19^e siècle.

1. Modèle de Dalton en 1808

Le chimiste anglais John Dalton démontre que les éléments chimiques réagissent entre eux dans des proportions massiques bien définies.

Dans le modèle de Dalton, les atomes sont des boules de tailles identiques mais de masses différentes.

Tous les atomes d’un même élément sont identiques et ont la même masse.

Les atomes d’éléments différents sont différents.

Modèle de Dalton

2. Découverte de l'électron en 1897

L’anglais Joseph John Thomson étudie les tubes cathodiques.

Remarque
Un tube cathodique est un tube de verre avec une électrode métallique à chaque extrémité. Lorsqu’on applique une tension électrique entre les deux électrodes, on observe un rayonnement en ligne droite entre les deux électrodes.

Thomson constate qu’avec un aimant le rayonnement cathodique est dévié. Cela prouve que le rayonnement est électriquement chargé. Thomson confirme ainsi l’hypothèse émise par des scientifiques anglais selon laquelle un courant de particules chargées négativement circule dans le rayonnement cathodique. Thomson découvre ainsi l’électron, une particule chargée négativement plus petite que l’atome de Dalton.

Plus tard, en 1904, Thomson propose un modèle atomique, appelé « le pudding de Thomson ».

D’après ce modèle, l’atome est une sphère remplie d’une substance chargée positivement et dans laquelle baignent les électrons.

Modèle de l’atome de Thomson : le pudding

3. Découverte du noyau en 1911 et du proton en 1920

En 1911, Ernest Rutherford, un chimiste néo-zélando-britannique, réalise une expérience majeure.

Il bombarde une mince feuille d’or avec des particules alpha (atomes d’hélium ayant perdu 2 électrons) émises par un corps radioactif.

Il observe alors que la majorité des particules ont traversé la feuille d’or sans être déviées.

Cependant, une minorité a été déviée et d’autres sont entrées en collision avec une particule très massive.

Expérience de Rutherford

Il en déduit que les atomes sont principalement constitués de vide (rayonnements non déviés) et que les déviations et collisions sont dues à la présence d’une particule très massive et chargée positivement : le noyau.

Rutherford propose alors un modèle de l’atome appelé modèle planétaire dans lequel l’atome est constitué d’un noyau autour duquel tournent les électrons.

La neutralité de l’atome impose que la somme des charges des électrons est égale à la charge du noyau.

La quasi totalité de la masse de l’atome est concentrée dans le noyau.

Modèle planétaire de Rutherford

Toujours en bombardant des atomes avec des particules alpha, Rutherford dévoile l’existence des protons dans le noyau.

4. Les couches électroniques en 1922

Le physicien danois Niels Bohr améliore le modèle de Rutherford lorsqu’il découvre que l'électron de l'atome d'hydrogène n'a accès qu'à certains niveaux d'énergie.

D’après son modèle, les électrons se répartissent sur des couches. Pour accéder à une couche plus éloignée du noyau, il doit acquérir une certaine quantité d’énergie appelée un quantum. Mais cet état est instable.

De ce fait, il retourne sur la couche inférieure en libérant le quantum d’énergie sous forme de lumière.

C’est le début de la théorie quantique.

Modèle de Bohr

5. Découverte du neutron en 1932

Entre 1930 et 1932, des spécialistes de la radioactivité réalisent 3 expériences dont les résultats sont confirmés et affinés par le physicien britannique James Chadwick en 1932.

En bombardant un noyau de béryllium avec un rayonnement alpha, les scientifiques ont détecté l’éjection d’une nouvelle particule, électriquement neutre : le neutron.

Le modèle de l’atome constitué d’électrons (chargés –) répartis en couches qui gravitent autour d’un noyau lui-même constitué de protons (chargés +) et de neutrons (neutres) est le modèle enseigné au lycée.

Modèle de l’atome avec :

les électrons chargés négativement (–) ;
les protons chargés positivement (+) ;
les neutrons qui ne portent pas de charge.

Ce modèle est facilement compréhensible car il fait appel à des notions de mouvements, de positions, de billes que nous connaissons bien pour les côtoyer depuis toujours à l’échelle macroscopique.

Cependant, ce n’est qu’un modèle et à l’échelle de l’atome des phénomènes complexes apparaissent.

6. Modèle de Schrödinger : le modèle actuel

Au cours des années 1930, la théorie quantique fait son apparition.

Le physicien allemand Erwin Schrödinger prouve que les électrons n’ont pas une trajectoire bien déterminée. Il existe des endroits (appelés « orbitale ») dans lesquels les électrons sont le plus présent. On parle alors de probabilité de présence de l’électron.

Cette mécanique quantique est depuis cette époque une théorie faisant appel à des notions très abstraites.

Exemple
D’après l’équation de Schrödinger, il est impossible de connaitre à la fois la vitesse et la position d’un électron.