En 1904, Hantaro Nagaoka développa un modèle atomique qui complétait le modèle atomique de Thomson. Le modèle de Nagaoka est également connu sous le nom de modèle atomique saturnien.
Le modèle saturnien est un modèle atomique hypothétique de la structure atomique, par opposition au modèle du pudding dodu de Thomson. Dans ce modèle, l'existence du noyau atomique a été postulée pour la première fois.
Quel est le modèle atomique de Nagaoka ?
Au début du XXe siècle, après l'étude du modèle atomique de Dalton et du modèle de Thomson, les physiciens commençaient à peine à comprendre la structure de l'atome. La découverte de l'électron a démontré l'existence de charges négatives dans l'atome et cela, pour qu'il soit globalement neutre, impliquait nécessairement que des charges positives existaient également.
Hantarō Nagaoka, partant du fait que les charges électriques opposées sont impénétrables, a proposé un modèle atomique basé sur une grande sphère massive avec une charge électrique positive. Cette sphère était le noyau atomique et était entourée de plusieurs électrons tournant autour d’elle. Nagaoka a décrit ces orbites comme des orbites circulaires, équivalentes à Saturne et à ses anneaux.
Nagaoka a expliqué la stabilité atomique selon son modèle par une analogie avec la stabilité des anneaux de Saturne. James Clerk Maxwell avait récemment publié une étude sur ce modèle et faisait deux prédictions :
- l'existence d'un noyau très massif, en analogie avec la disproportion entre la masse de Saturne et celle de l'anneau ;
- que les électrons tournent autour du noyau lié par la force électrostatique, tout comme les particules de l'anneau tournent autour de la planète liée par la force gravitationnelle.
Modèle Saturnino
Le modèle de Nagaoka est connu sous le nom de modèle saturnien parce que le physicien japonais Hantaro Nagaoka a proposé en 1904 une représentation de l'atome qui ressemblait à un système planétaire semblable à Saturne. Dans ce modèle :
- Le noyau atomique est représenté par une grande sphère positive, semblable à la planète Saturne.
- Les électrons sont disposés en anneau tournant autour du noyau, comme les anneaux de Saturne.
Nagaoka s'est inspiré de la stabilité des anneaux de Saturne pour suggérer que les électrons pourraient être maintenus sur des orbites circulaires autour du noyau en raison de forces attractives et répulsives.
Comment le modèle de Nagaoka a-t-il influencé le modèle atomique de Rutherford ?
Les deux prédictions furent suffisamment confirmées par Ernest Rutherford, qui mentionna le modèle de Hantarō Nagaoka dans l'article de 1911 dans lequel il rapportait la découverte du noyau.
Cependant, le modèle atomique de Rutherford a révélé à quel point le modèle de Saturne était erroné. En réalité, le noyau était beaucoup plus petit que ce que Nagaoka avait supposé. De plus, un anneau avec une charge électrique aurait été instable aux oscillations dans une direction orthogonale au plan de rotation de l'anneau.
Les découvertes de Rutherford serviront de base à des études visant à développer le modèle atomique de Niels Bohr et le modèle atomique ultérieur de Sommerfeld.
Il faut dire aussi que Nagaoka, à travers le modèle Saturne, était incapable de prédire les phénomènes spectrographiques, comme la formation de raies spectrales et la radioactivité. Suite à ces nouvelles découvertes, Nagaoka lui-même abandonna son modèle en 1908.
Brève biographie de Hantarō Nagaoka
Nagaoka Hantarō (15 août 1865 – 11 décembre 1950) fut le physicien japonais le plus éminent de la fin de l'ère Meiji. Il fut l'un des fondateurs des physiciens japonais qui inaugurèrent la période Meiji, le fondateur de l'école scientifique. Auteur de divers ouvrages sur l'électricité et le magnétisme, la physique atomique et la spectroscopie.
Né à Ōmura, préfecture de Nagasaki, Nagaoka s'est formé à l'Université de Tokyo. Après avoir obtenu son diplôme en 1887, il collabore avec le physicien britannique Cargill Gilston Knott sur des études sur le magnétisme. En 1893, il s'installe en Europe, où il complète sa formation aux universités de Berlin, Munich et Vienne. En 1900, il assiste au premier congrès international de physique à Paris, où il entend Marie Curie donner une conférence sur la radioactivité, un événement qui accroît l'intérêt de Nagaoka pour la physique atomique.
Les principales œuvres de Nagaoka
Hantaro Nagaoka a rejeté le modèle de Thomson au motif que les charges électriques opposées sont impénétrables et a proposé le modèle atomique alternatif expliqué ci-dessus. Cependant, il l'abandonna lui-même en 1908.
Après avoir abandonné son modèle atomique, Nagaoka s'est tourné vers la spectroscopie et d'autres domaines. En 1909, il publie un article sur l'inductance des solénoïdes.
En mars 1924, il décrit des expériences au cours desquelles il prétend avoir obtenu un milligramme d'or et du platine. La découverte a été faite en soumettant le mercure à un champ électrique de 15 × 10 6 V/m pendant quelques heures. L'expérience a ensuite été répétée avec des résultats contradictoires, dus à la contamination par l'or déjà présent dans le mercure.
En 1929, Nagaoka détecta des perturbations radio produites par des météores. Le physicien japonais a émis l'hypothèse qu'il serait possible d'établir une communication entre deux stations au sol. Pour ce faire, il a utilisé, comme liaison radio, la traînée ionisée laissée par le météoroïde lors de son entrée dans l’atmosphère.