Science et technologie s1109

L'histoire du modèle atomique

L'atome est la plus petite particule de matière. Elle ne peut pas être divisée chimiquement.

On s'interroge depuis très longtemps sur la nature de la matière. Dès la Grèce antique, différentes idées circulaient à ce sujet. D'un côté, Démocrite (460-370 avant notre ère) affirmait que la matière était constituée de particules très petites et indivisibles, à l'image des gouttes d'eau dans l'océan. De l'autre côté, Aristote (384-322 avant notre ère) stipulait plutôt qu'il serait impossible de diviser la matière à l'infini et qu'elle était constituée de quatre éléments essentiels, à savoir le feu, l'air, la terre et l'eau.

À cette époque, la théorie d'Aristote reçut la faveur populaire. Toutefois, c'est Démocrite qui avait raison en mentionnant que l'atome est l'unité de base de la matière. Comme l'atome est trop petit pour qu'on puisse l'examiner directement, les scientifiques ont imaginé divers modèles pour le représenter. Depuis Démocrite, le modèle atomique a grandement évolué grâce aux avancées scientifiques et technologiques pour atteindre le modèle actuel.


Le modèle de Démocrite

Démocrite était un philosophe de l’Antiquité ayant vécu environ 400 ans av. J.-C.  Il est à l’origine du premier modèle atomique étudié.

Démocrite affirmait que la matière était constituée de particules très petites et identiques qu’il était impossible de briser ou de diviser.
Il appelait ces particules atome (atomos en grec, qui signifie indivisible). Il pensait que ces particules indivisibles étaient séparées par du vide. C’est pourquoi sa représentation de la matière est appelée le modèle de la discontinuité. Selon lui, la façon dont les atomes sont répartis dans la matière expliquerait pourquoi une substance aurait des propriétés différentes d’une autre substance. Par exemple, le fait que le plomb est plus lourd que le liège s’expliquerait par le fait que les atomes y sont plus entassés.

Le modèle d’Aristote

Un autre philosophe, Aristote, encore plus reconnu que Démocrite, s’opposait à tort à l’idée qu’il puisse exister du vide dans la matière.  Selon lui, la matière devait remplir totalement l’espace qu’elle occupe. C’est pourquoi on appela son idée le modèle de la continuité. 

Aristote affirmait qu’il était possible de diviser la matière une infinité de fois contrairement à Démocrite qui pensait qu’on ne pouvait séparer une substance que jusqu’à ce qu’on arrive à la grosseur d’un atome.
Selon Aristote, les éléments fondamentaux de la matière n’étaient pas les atomes, mais plutôt le feu, l’eau, l’air et la terre. Il est important de spécifier que Démocrite et Aristote n’étaient pas des scientifiques, mais plutôt des philosophes. Par conséquent, aucune expérience scientifique ne venait appuyer leur modèle. Même si, à cette époque, on croyait davantage à la théorie d’Aristote, on sait maintenant que la matière ressemble beaucoup plus au modèle de Démocrite.

Le modèle de Thomson

Joseph John Thomson est un physicien britannique qui a vécu entre 1856 et 1940.  Il a fait la découverte d’une petite particule qui l’amena à modifier le modèle de Dalton : l’électron. C’est par l’étude d’un rayon observé dans les tubes cathodiques (ou tubes de Crookes), des tubes de verre sous vide, que Thomson fit la découverte de l’électron. Regardons comment l’observation du comportement d’un rayon cathodique a mené à la découverte de cette particule. 

L’étude de l’aimant sur le rayon cathodique

Expérience 1: Il approche un aimant d'un tube cathodique.

Observation 1: L’aimant dévie le rayon cathodique.
 
Conclusion 1 : 
1 - Le rayon cathodique n’est pas un rayon lumineux, puisque les rayons lumineux ne sont pas déviés par l’aimant.
2 - Le rayon subit les effets du magnétisme.

L’étude du moulinet sur le rayon cathodique

Expérience 2: Thomson place un moulinet dans le tube cathodique.

Observation 2 : Le rayon cathodique met le moulinet en mouvement dans le tube cathodique.

Conclusion 2 :
1 - Le rayon cathodique est fait de particules, puisque la lumière ne crée pas de mouvement au contact des objets.
2 - Le rayon cathodique provient de la borne négative et se dirige vers la borne positive.  Il se pourrait qu’il soit repoussé par la charge négative et attiré par la charge positive.

 

L’étude de la charge du rayon cathodique

Expérience 3: Il place une plaque positive et une plaque négative de part et d'autre du rayon cathodique.

Observation 3 : Le rayon cathodique est attiré par la plaque positive et repoussé par la plaque négative.

Conclusion 3 :
1 - Le rayon cathodique est chargé négativement, ce qui expliquerait pourquoi il serait repoussé par la plaque négative (deux charges négatives se repoussent) et attiré par la plaque positive (les charges négatives et positives s’attirent).
 
Si on résume toutes ces observations, on peut dire que le rayon cathodique est en fait constitué de particules négatives. Thomson fut donc obligé d’admettre que l’atome n’était pas la particule la plus petite. Il existait une particule encore plus petite que l’atome, et cette particule était chargée négativement. Il l’appela électron.

La description du modèle de Thomson

  • Thomson conclut que l’atome n’est plus indivisible, mais qu'il est plutôt possible d’arracher des électrons à l’atome.
  • Pour que l’atome soit neutre, il émet l’hypothèse que l’atome est comme une pâte positive à l’intérieur de laquelle on retrouve des petits grains négatifs.
  • Dans l’atome neutre, la pâte est constituée d'autant de charges positives qu’il y a d’électrons.
  • Son modèle est appelé le pain aux raisins («plum pudding»), puisqu’on peut comparer la mie du pain à la pâte positive et les raisins aux électrons qui sont répartis à l’intérieur du pain.

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Le modèle atomique de Rutherford

Ernest Rutherford est un physicien néo-zélandais qui a vécu entre 1871 et 1937.  Lors d’une expérience, il fit une découverte pour le moins surprenante qui le mena à modifier le modèle précédent : l’atome est en majorité vide. De plus, il découvre une nouvelle particule formant l'atome, le proton.

Les observations à l’origine du modèle de Rutherford

Découverte de la radioactivité
On attribue à Henri Becquerel la découverte de la radioactivité.  En effet, il observait que certaines substances (dont l’uranium) émettaient continuellement un étrange rayonnement qu’il ne pouvait identifier. 
 
Découverte du radium
Par la suite, Marie Curie et son mari Pierre Curie poussèrent plus loin la recherche et réussirent à identifier deux nouveaux éléments radioactifs, soit le polonium et le radium.
Plusieurs scientifiques, dont Rutherford, s’intéressèrent par la suite à ces radiations et ils découvrirent alors qu'il était possible de séparer ces radiations en trois catégories.

  • Le rayon alpha est chargé positivement et il est constitué d’un atome d’hélium qui a perdu ses deux électrons.
  • Le rayon bêta est chargé négativement, puisqu’il est formé exclusivement d’électrons. 
  • Le rayon gamma n’a aucune charge, car il n’est pas fait de matière.  Il s’agit d’un rayon électromagnétique très énergétique.  En d’autres mots, c’est de l’énergie.

À partir de ces découvertes, Rutherford créa sa propre expérience, maintenant connue sous le nom d’expérience de la feuille d’or. Il envoya sur une feuille d’or très mince un rayonnement alpha provenant du radium.  Il plaça tout autour de la feuille d’or des écrans fluorescents qui réagissent lorsqu’ils sont frappés par un rayonnement alpha. Ainsi, il était possible de savoir comment réagissaient les rayons alpha lorsqu’ils entraient en contact avec la feuille d’or.

      
Le tableau suivant montre ce qu’a déduit Rutherford pour chacune des trois observations effectuées à la suite de son expérience.

Observations Analyse
I - La grande majorité des rayons alpha traversent la feuille d'or sans être déviés.La grande majorité de l'atome est vide.
II - Une petite partie des rayons alpha rebondissent sur la feuille d'or.La masse de l'atome est concentrée dans un noyau très petit et très massif (très dur).
III - Une petite partie des rayons alpha est légèrement déviée.La charge positive du rayon alpha est repoussée par la charge positive du noyau.

Il faut donc imaginer l’atome comme étant un grand espace à plus de 99 % vide, à l’intérieur duquel on retrouve un noyau très dense et positif. Le schéma ci-dessous illustre la réaction des rayons alpha lors de leur passage à travers un atome d’or. Chacun des trois rayons est identifié en fonction de l’observation qu’ils représentent dans le tableau précédent.

 
Selon Rutherford, les électrons découverts par Thomson gravitaient autour de ce noyau, un peu comme les planètes autour du Soleil. C'est pourquoi son modèle est connu sous le nom de modèle planétaire.

La description du modèle de Rutherford

  • L’atome imaginé par Rutherford est principalement constitué de vide. 
  • En fait, la presque totalité de la masse de l’atome est située au centre de celui-ci dans ce qu’il appela le noyau de l’atome. 
  • De plus, ce noyau est lui-même constitué de charges positives, des protons, collées les unes contre les autres.
  • En ce qui concerne les électrons, ils gravitent autour du noyau dans l’espace vide autour de celui-ci. 
  • Un atome neutre possède toujours autant de protons que d’électrons. 
  • La taille de l’atome est maintenant déterminée par l’électron qui gravite le plus loin du noyau.  Plus il y a d’électrons, plus ceux-ci tournent loin du noyau, et plus l’atome est gros. 
  • L’atome de Rutherford est divisible, tout comme l’était celui de Thomson, puisque les électrons peuvent encore être arrachés.

Les anomalies au modèle de Rutherford

En élaborant son modèle, Rutherford note des problèmes qu'il n'est pas en mesure de résoudre avec ses connaissances de l'atome.

  • Pourquoi les électrons situés autour du noyau ne sont pas attirés par les charges positives du noyau?
  • Pourquoi les charges positives collées les unes contre les autres dans le noyau ne se repoussent pas ?

Le modèle atomique de Rutherford-Bohr

Niels Bohr est un physicien danois qui a vécu entre 1885 et 1962.  Ce dernier fut l’élève de Rutherford et ne fit qu’apporter une légère modification à son modèle.  Cependant, le modèle atomique simplifié de Rutherford-Bohr regroupe des observations faites par des scientifiques qui datent jusqu’à dix-neuf ans après la modification que Bohr apporta au modèle de Rutherford.  

La description du modèle de Rutherford-Bohr

  • Ce modèle représente l’atome comme étant un espace presque vide où l’on retrouve au centre un noyau très dense contenant les protons.
  • Les électrons circulent autour de l’atome dans des endroits prédéterminés appelés niveaux énergétiques ou couches électroniques.
  • Il peut y avoir plus d’un électron voyageant dans les niveaux énergétiques et le nombre maximal d’électrons par niveau énergétique augmente au fur et à mesure qu’on s’éloigne du noyau.
  • Il y a toujours autant de protons que d’électrons dans un atome neutre et comme un atome peut perdre des électrons, l’atome demeure une unité divisible.

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Observations à l’origine du modèle

Le spectre électromagnétique
Les atomes ont la propriété d’émettre des rayons de lumière de différentes couleurs lorsqu’on les soumet à de grandes quantités d’énergie. Or, on remarqua vite que chaque atome émet toujours les mêmes rayons lumineux, et ce peu importe la quantité d’énergie qu’on lui soumet et les conditions ambiantes.  

On appelle spectre lumineux l’ensemble des couleurs qu’émet un atome particulier.

Comme chaque atome a son propre spectre, il s’agit en quelque sorte de son empreinte digitale.  On doit aussi savoir que chaque rayon lumineux de couleur différente possède toujours une quantité d’énergie qui lui est propre.  Ainsi, le rouge ne possède pas autant d’énergie que le bleu par exemple.
 
Absorption et émission discontinue de l’énergie lumineuse
Bohr chercha à savoir pourquoi chaque atome émettait toujours les mêmes quantités d’énergie et que cela différait d’un type d'atome à un autre. 
 
Afin de mieux comprendre l’hypothèse de Bohr, il faut considérer le modèle de Rutherford. Les électrons tournent autour du noyau comme des planètes autour du Soleil. 
 
Il faut aussi savoir que plus un électron tourne loin du noyau, plus il possède d’énergie. Donc, si on fournit de l’énergie à un électron qui circule près du noyau, ce dernier s’éloignera du centre de l’atome, et si cet électron réussit à se débarrasser de cette énergie supplémentaire, il retournera à sa position initiale.  

Plus l’électron absorbe d’énergie, plus il s’éloigne.  Or, c’est sous forme de lumière que l’électron remet dans son environnement son surplus d’énergie. 

Revoyons ce phénomène en étape à l’aide de l’illustration suivante :

 

Étape 1 :
Au départ, l’électron circule autour du noyau normalement. 
 
Étape 2 :
L’électron reçoit de l’énergie.  Il est important de savoir qu’à ce moment, l’électron reçoit exactement la quantité d’énergie nécessaire pour l’éloigner du noyau jusqu’au niveau énergétique suivant.  Il est impossible pour l’électron de tourner entre ces deux niveaux énergétiques. 
 
Étape 3 :
L’électron circule sur son nouveau niveau énergétique, mais il a un surplus d’énergie; il est donc instable. 
 
Étape 4 :
L’électron perd son énergie supplémentaire sous forme de lumière.  Il envoie donc exactement la quantité d’énergie reçue.  L’opération pourra ensuite se répéter plusieurs fois. Par ailleurs, les niveaux énergétiques des différents atomes ne sont pas tous à la même distance de leur noyau.  Par conséquent, les électrons de différents atomes n’absorbent pas la même quantité d’énergie, et donc ne perdent pas sous forme de lumière la même quantité d’énergie.  Cela aura pour conséquence que chaque atome émettra des couleurs différentes, et même plusieurs couleurs différentes.

L'ajout de Chadwick

En 1932, le physicien britannique James Chadwick corrige un des problèmes du modèle de Rutherford-Bohr. Il explique pourquoi les particules positives du noyau ne se repoussent pas. Il découvre qu'une autre particule existe dans le noyau. Cette particule, qui ne possède aucune charge, permet de conserver la cohésion du noyau en permettant d'éviter que ce dernier n'éclate.

Étant donné que cette particule est neutre, il la nomme neutron.

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