Un modèle atomique est la représentation de la structure interne d'un atome.
Au cours de l'histoire, la constitution de la matière a connu différents modèles qui ont évolué jusqu'à atteindre le modèle atomique actuel.
Ci-dessous, nous présentons la chronologie des modèles atomiques les plus importants :
1. Maquette de Démocrite d'Abdère (an 450 av. J.-C.)
Le modèle Démocrite de l'atome a été développé par le philosophe grec Démocrite d'Abdera . Démocrite croyait que la matière était composée de petites particules indestructibles ou indivisibles qu'il appelait des atomes.
Démocrite, un ancien philosophe grec, a été l'un des premiers à proposer l'idée que la matière était constituée de particules discontinues et indivisibles appelées "atomes". Dans sa philosophie, les atomes étaient les unités fondamentales de la réalité et étaient éternels et infiniment petits.
Démocrite croyait que différents types de matière étaient formés à partir de combinaisons et d'arrangements d'atomes dans l'espace vide.
Importance du modèle
Bien que le modèle de Démocrite manquait de preuves expérimentales et d'une base scientifique solide à l'époque, il a jeté les bases de l'idée que la matière était composée d'unités discrètes et indivisibles. Cependant, ce modèle n'a pas eu un impact immédiat sur la communauté scientifique de son temps et a été remplacé par d'autres idées jusqu'à ce qu'il réapparaisse avec plus de force à l'ère de la science moderne.
La contribution de Démocrite est fondamentale à l'évolution de la théorie atomique à travers l'histoire, et son concept de «l'atome» est à la base de la façon dont nous comprenons la structure de la matière aujourd'hui.
2. Modèle de John Dalton (1808)
La théorie atomique de Dalton a été le premier modèle scientifiquement fondé. Dalton a défini le concept d'atome et a conclu que dans les réactions chimiques, les atomes ne sont ni créés ni détruits, mais modifient plutôt leur distribution.
Le modèle Dalton de l'atome, proposé par John Dalton au début du XIXe siècle, a été l'une des premières tentatives systématiques d'explication de la nature de la matière et des réactions chimiques en termes d'atomes.
Les atomes comme unités indivisibles
Dalton a postulé que la matière était composée de particules fondamentales indivisibles appelées atomes. Chaque élément chimique était constitué d'atomes identiques les uns aux autres en termes de masse et de propriétés chimiques.
Atomes de différents éléments
Les atomes de différents éléments étaient différents les uns des autres en termes de masse et de propriétés chimiques. Dalton croyait que les atomes étaient les unités de base et indivisibles de la matière et que les composés chimiques étaient formés à partir de la combinaison d'atomes de différents éléments dans des proportions fixes et définies.
Conservation de la masse
Dalton a postulé que la masse est conservée dans les réactions chimiques. Cela signifie que la masse totale des atomes dans les réactifs est égale à la masse totale des atomes dans les produits après une réaction chimique.
Proportions fixes dans les composés
Dalton a proposé la loi des proportions définies, qui stipule que les éléments se combinent dans des proportions fixes et constantes pour former des composés chimiques spécifiques. Cela signifie que les atomes des éléments se combinent en nombres entiers simples pour former des composés.
Loi des proportions multiples
Dalton a également formulé la loi des proportions multiples, qui stipule que lorsque deux éléments forment plus d'un composé, les masses d'un élément qui se combinent avec une masse fixe de l'autre élément sont dans le rapport de nombres entiers simples.
3. Le modèle de Thomson (1904)
Thompson a découvert l'électron en tant que particule subatomique avec des tubes à rayons cathodiques. Ces nouvelles particules chargées négativement en sont venues à être considérées comme faisant partie de la structure des atomes.
Le modèle de l'atome de Thomson est également connu sous le nom de modèle de pudding aux raisins depuis que JJ Thomson a conçu l'atome comme un pudding aux raisins. Dans ce modèle, l'atome serait formé d'une masse positive à laquelle les électrons seraient attachés comme des raisins secs dans le gâteau.
Caractéristiques du modèle
Thomson a mené des expériences avec des tubes à rayons cathodiques et a découvert l'existence de particules subatomiques chargées négativement qu'il a appelées électrons. Cette découverte a remis en question l'idée précédente selon laquelle les atomes étaient indivisibles et uniformes.
Selon le modèle de Thomson, les électrons chargés négativement étaient intégrés dans une matrice chargée positivement. Cela a créé un équilibre des charges électriques, résultant en un atome globalement neutre. Visuellement, l'atome était comparé à un "pudding aux raisins", où les électrons représentaient les "raisins" et la charge positive la "masse de pudding".
Thomson a proposé que la charge positive soit uniformément répartie dans toute la structure de l'atome, ce qui maintenait les électrons en équilibre en son sein. Cette idée expliquait comment les atomes pouvaient être électriquement neutres malgré des charges électriques séparées en leur sein.
Limites du modèle
Bien que le modèle de Thomson ait introduit l'idée que les atomes avaient des composants et des charges subatomiques, il n'expliquait pas pourquoi les électrons ne s'effondraient pas dans le noyau en raison des forces électriques répulsives entre les charges négatives.
Le modèle de l'atome de Thomson n'a pas non plus expliqué comment les électrons étaient disposés en orbite autour du noyau.
Importance
Bien que le modèle de Thomson ait ensuite été remplacé par des modèles plus complets, sa découverte des électrons et sa proposition d'une structure subatomique ont radicalement changé la compréhension scientifique à l'époque.
Ces découvertes ont ouvert la voie à de futurs développements de la théorie atomique et jeté les bases de modèles plus sophistiqués pour expliquer l'organisation et le comportement des électrons dans les atomes.
4. Modèle de Rutherford (1911)
Dans le modèle de Rutherford, connu sous le nom de modèle "planétaire" ou "noyau", Ernest Rutherford disait que les atomes étaient facilement transposables par des charges électriques. Son modèle définissait l'atome comme un noyau lourd chargé positivement avec des électrons tournant autour de lui, de sorte que la majeure partie de l'atome était constituée d'espace vide.
Le modèle atomique de Rutherford a marqué une avancée cruciale dans la compréhension de la structure atomique au début du XXe siècle. Les principaux aspects de ce modèle sont détaillés ci-dessous :
Expérience
Rutherford et son équipe ont mené une expérience dans laquelle ils ont projeté des particules alpha (noyaux d'hélium) sur une fine feuille d'or. Ils s'attendaient à ce que les particules traversent la feuille avec peu de déviation en raison de la croyance commune à l'époque selon laquelle les atomes étaient principalement de l'espace vide.
Découverte du noyau atomique
Cependant, le résultat a été surprenant : certaines particules alpha ont dévié de manière significative et ont même rebondi. Rutherford a conclu que cela ne pouvait s'expliquer que si les atomes contenaient un petit noyau dense et chargé positivement en leur centre, qui concentrait la majeure partie de la masse de l'atome.
Espace vide dans l'atome
Sur la base de son expérience, Rutherford est également arrivé à la conclusion que la majeure partie de l'atome était constituée d'espace vide, puisque la plupart des particules alpha traversaient la feuille d'or sans dévier du tout.
Bien que le modèle de l'atome de Rutherford ait introduit le concept de noyau central, il n'a pas fourni d'explication détaillée de la façon dont les électrons étaient organisés autour du noyau. En raison des forces électriques entre les charges opposées, les électrons auraient dû s'effondrer dans le noyau selon les lois électromagnétiques classiques.
Importance du modèle atomique
Malgré ses limites, le modèle de Rutherford a été une étape importante. Il a introduit la notion que les atomes avaient un noyau dense et chargé positivement en leur centre, ce qui a résolu certains des problèmes soulevés par les modèles précédents.
De plus, ce modèle a ouvert la voie à des développements ultérieurs de la théorie atomique, tels que le modèle atomique de Bohr.
5. Le modèle atomique de Niels Bohr (1913)
Le modèle atomique de Bohr était une modification du modèle de Rutherford : l'atome est comme « un système solaire microscopique » dans lequel les électrons tournent autour du noyau. Bohr a supposé que les électrons se déplaçaient sur des orbites circulaires autour du noyau.
Le modèle atomique proposé par Niels Bohr au début du XXe siècle a été une avancée significative dans la compréhension de la structure atomique et de la nature des orbites électroniques.
Niveaux d'énergie discrets
Bohr a postulé que les électrons d'un atome se déplacent sur des orbites discrètes et quantifiées autour du noyau, plutôt que sur des mouvements continus. Chaque orbite correspondait à un niveau d'énergie spécifique pour les électrons.
Les électrons ne pouvaient pas avoir d'énergies intermédiaires, ce qui a donné lieu à la stabilité des atomes.
Absorption et émission d'énergie
Selon le modèle atomique de Bohr, les électrons pourraient absorber ou émettre de l'énergie sous forme de quanta (paquets discrets d'énergie) lorsqu'ils se déplacent entre différents niveaux d'énergie.
Lorsqu'un électron absorbe de l'énergie, il passe à un niveau d'énergie supérieur ; lorsqu'il émettait de l'énergie, il revenait à un niveau d'énergie inférieur.
Spectres atomiques
L'une des principales réalisations de ce modèle a été l'explication des spectres d'émission et d'absorption des atomes. Les spectres étaient des lignes claires ou sombres dans la lumière émise ou absorbée par les atomes. Bohr a pu relier les changements dans les niveaux d'énergie des électrons aux raies spécifiques du spectre.
Modèle limité aux atomes simples
Bien que le modèle de Bohr de l'atome ait réussi à expliquer certains aspects des spectres atomiques et à fournir une description quantitative de la structure électronique, il s'appliquait principalement aux atomes simples à un électron, comme l'hydrogène. Il avait du mal à expliquer des atomes et des systèmes plus complexes avec plusieurs électrons.
Transitions et constante de Planck
Bohr a introduit l'idée que les électrons ne pouvaient exister que dans certains états d'énergie discrets, qui étaient liés à la constante de Planck. Cela a jeté les bases de la formulation ultérieure de la théorie quantique.
Importance du modèle
Bien que le modèle atomique de Bohr ait été remplacé par des développements ultérieurs de la théorie quantique, ses concepts de niveaux d'énergie quantifiés et de transitions électroniques ont fourni une approche cruciale pour comprendre la structure et le comportement des atomes. Ses travaux ont ouvert la voie à l'évolution de la mécanique quantique et ont représenté une étape essentielle dans la compréhension moderne de la physique atomique.
6. Modèle atomique de Schrödinger (1926)
Le modèle de Schrödinger de l'atome, également connu sous le nom de mécanique quantique, est un cadre théorique qui décrit le comportement des particules subatomiques, telles que les électrons, en termes de probabilité et d'ondes.
Il a été développé par le physicien autrichien Erwin Schrödinger dans les années 1920 et a révolutionné notre compréhension de la structure atomique et des propriétés des particules subatomiques.
Description probabiliste
Contrairement aux modèles précédents qui décrivaient la position et le mouvement des particules de manière déterministe, le modèle atomique de Schrödinger introduit l'idée que les particules subatomiques, telles que les électrons, n'ont pas de trajectoires définies, mais sont plutôt décrites par des fonctions d'onde qui représentent la probabilité de les trouver dans différentes positions.
Équation de Schrödinger
La base du modèle est l'équation de Schrödinger, une équation mathématique fondamentale qui décrit comment la fonction d'onde d'une particule change avec le temps dans un champ de force donné, tel que le champ électrique créé par le noyau dans un atome.
La résolution de cette équation nous permet d'obtenir des informations sur les propriétés de la particule, telles que son énergie et sa distribution spatiale.
Orbitales et fonctions d'onde
Dans le contexte des atomes, les fonctions d'onde sont appelées orbitales. Les orbitales sont des régions de l'espace où il y a une forte probabilité de trouver un électron. Les différents types d'orbitales (s, p, d, f) ont des formes et des distributions de probabilité caractéristiques, qui déterminent l'organisation des électrons autour du noyau.
Le principe d'incertitude de Heisenberg
Le modèle de Schrödinger a introduit le principe d'incertitude de Heisenberg, qui stipule qu'il existe des limites fondamentales à la mesure simultanée et précise de la position et de la quantité de mouvement (ou vitesse) d'une particule.
Plus la position d'une particule est connue avec précision, moins sa quantité de mouvement peut être connue avec précision, et vice versa.
Évolution de la théorie quantique
Le modèle atomique de Schrödinger et la mécanique quantique en général ont conduit à un changement fondamental dans la façon dont nous comprenons la nature subatomique du monde. La théorie quantique s'applique non seulement à la physique atomique, mais également à des domaines tels que la physique des particules, la chimie quantique et l'électronique.
7. Modèle atomique actuel (1926)
Le modèle atomique actuel, basé sur la théorie quantique, est une description complexe et précise de la structure et du comportement des atomes et des particules subatomiques. Il est dérivé de la mécanique quantique, qui est une théorie fondamentale en physique qui décrit le comportement des particules à des échelles subatomiques.
Le modèle atomique actuel est le résultat des contributions de divers scientifiques tout au long du XXe siècle. Son développement ne peut être attribué à une seule personne, puisqu'il est le fruit de la collaboration et des avancées cumulées de nombreux scientifiques dans le domaine de la physique théorique et expérimentale.
Les travaux de scientifiques tels que Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, Richard Feynman et bien d'autres, ont contribué de manière significative à la formulation des principes et des concepts qui constituent la base du modèle atomique actuel et théorie quantique en général.
Particules fondamentales
Le modèle atomique actuel reconnaît un certain nombre de particules subatomiques fondamentales, telles que les électrons, les protons et les neutrons, qui composent la matière. En outre, il existe d'autres particules plus exotiques, telles que les quarks et les leptons, qui constituent les éléments constitutifs les plus élémentaires de la matière.
Noyau atomique
Le noyau atomique est composé de protons (chargés positivement) et de neutrons (sans charge électrique). Les protons et les neutrons sont maintenus ensemble par la force nucléaire, qui est une interaction forte qui maintient la cohésion du noyau malgré les forces de répulsion électrique entre les protons.
Électrons et orbitales
Les électrons, qui sont chargés négativement, sont répartis autour du noyau dans des régions à forte probabilité appelées orbitales ou nuages d'électrons. Chaque orbitale possède un ensemble spécifique de nombres quantiques qui décrivent ses caractéristiques, telles que sa forme, son énergie et son orientation.
Principe d'incertitude de Heisenberg
La théorie quantique a introduit le principe d'incertitude de Heisenberg, qui stipule qu'il existe des limites fondamentales à la précision avec laquelle nous pouvons mesurer simultanément la position et l'impulsion (ou la vitesse) d'une particule. Cela reflète la nature probabiliste et ondulatoire des particules subatomiques.
Théorie quantique des champs
La théorie quantique actuelle est basée sur la théorie quantique des champs, qui unifie les particules et les interactions dans un cadre cohérent. Il décrit comment les particules interagissent à travers les champs quantiques et comment ces interactions donnent lieu à des phénomènes physiques.