En 1904, Joseph John Thomson proposa une évolution du modèle atomique de Dalton, donnant naissance au célèbre modèle de Thomson, une théorie révolutionnaire qui tentait d'expliquer deux propriétés fondamentales des atomes de l'époque.
Dans ce modèle, Thomson postulait que les électrons, des particules chargées négativement, étaient dispersés dans un fond chargé positivement, créant une structure qui ressemblait à un dessert britannique connu sous le nom de « pudding aux prunes ». Ce surnom curieux vient de l'analogie visuelle des électrons (les « raisins secs ») dispersés sur un fond positif (le « pudding »).
Cette nouvelle théorie atomique de Thomson tentait d'expliquer deux propriétés alors connues des atomes :
- Les électrons sont des particules chargées négativement.
- Les atomes n'ont pas de charge électrique neutre.
Les postulats de Thomson
Le modèle atomique de JJ Thomson a introduit plusieurs postulats clés visant à expliquer les propriétés observées des atomes à l'époque. Voici les postulats fondamentaux et leurs caractéristiques :
- Les électrons en tant que particules subatomiques : Thomson a postulé l'existence de particules subatomiques chargées négativement, qui ont ensuite été identifiées comme des électrons. Il s’agit d’une avancée importante puisque jusqu’alors les atomes étaient considérés comme indivisibles selon le modèle atomique de Dalton.
- Structure sphérique de l'atome : Thomson a imaginé l'atome comme une sphère uniforme chargée positivement, dans laquelle les électrons chargés négativement étaient incrustés comme des raisins secs dans un pudding. Ce concept de structure sphérique contrastait avec l'idée antérieure de Dalton d'atomes indivisibles.
- Distribution uniforme des électrons : selon le modèle de Thomson, les électrons étaient uniformément répartis dans toute la sphère chargée positivement. Cet arrangement cherchait à expliquer la neutralité électrique de l'atome dans son ensemble.
- Libre circulation des électrons : Selon ce postulat, les électrons étaient considérés comme capables de se déplacer librement au sein de la sphère chargée positivement, ce qui expliquait la stabilité de l’atome. Thomson a suggéré que les forces d'attraction entre les électrons et la charge positive environnante étaient responsables du maintien des électrons sur leurs orbites.
- Explication des spectres de raies : Thomson a proposé que les électrons tournaient librement sur des orbites annulaires au sein de l'atome. Les différences dans les énergies de ces niveaux orbitaux expliqueraient les spectres de raies observés dans l’émission lumineuse lorsque les électrons sautaient entre ces orbites.
Pourquoi est-il connu sous le nom de modèle Plum Pudding ?
Le modèle de Thomson a été communément comparé au dessert britannique connu sous le nom de plum pudding, ce qui lui a valu son nom caractéristique. Bien que Thomson ne l’ait pas décrit de cette façon, l’analogie a été adoptée par d’autres pour mieux illustrer son idée.
Dans ce modèle, les électrons chargés négativement sont distribués comme s'il s'agissait de « raisins secs » noyés dans une masse chargée positivement, qui représente le « pudding ». De cette façon, la charge positive équilibre la charge négative des électrons, gardant l’atome dans son ensemble électriquement neutre. Cette représentation simple, bien que désormais obsolète, a permis de visualiser comment des particules subatomiques pouvaient coexister dans un espace relativement petit, avant que des détails plus précis sur la structure de l'atome ne soient connus.
Caractéristiques du modèle atomique de Thomson
Selon le modèle atomique de Thomson, l'atome est constitué d'électrons placés dans une « soupe » chargée positivement, qui compense les charges électriquement négatives des électrons.
Selon ce modèle, les électrons pourraient tourner librement dans une goutte ou un nuage d’une telle substance chargée positivement. Leurs orbites ont été stabilisées au sein de l’atome par le fait que lorsqu’un électron s’éloigne du centre d’un nuage chargé positivement, il subit une augmentation de la force d’attraction vers le centre du nuage.
Cette force d'attraction le ramène au centre. La force d’attraction vers le centre d’un nuage sphérique uniformément chargé est directement proportionnelle à la distance jusqu’à son centre.
Dans le modèle de Thomson, les électrons peuvent tourner librement sur des orbites annulaires, qui sont stabilisées par les interactions entre électrons. Les spectres de raies s'expliquaient par la différence d'énergie lors du déplacement le long de différentes orbites annulaires.
Le modèle de Thomson est devenu un précurseur du modèle atomique ultérieur de Bohr, qui représente l'atome comme une ressemblance avec le système solaire .
Limites du modèle
Le modèle atomique de Thomson a été réfuté lors d'une expérience sur la diffusion de particules alpha dans une feuille d'or en 1909, qui a été analysée par Ernest Rutherford en 1911. L'expérience de Rutherford suggérait que l'atome avait un très petit noyau contenant une grande charge positive.
En 1913, Henry Moseley démontra expérimentalement que la charge nucléaire des charges élémentaires est très proche du numéro atomique.
Ces travaux aboutissent finalement à la création la même année du modèle Bohr, similaire au système solaire. Selon ce modèle, le noyau a une charge positive égale au numéro atomique et est entouré d’un nombre égal d’électrons dans des couches orbitales.
Le problème de Thomson
En considérant le modèle de Thomson, un problème de physique mathématique encore non résolu a été formulé : trouver la configuration de nombreuses charges ayant l'énergie potentielle la plus faible sur une sphère - le problème de Thomson.
L'héritage de Thomson
L'héritage de JJ Thomson en physique et en chimie est indéniable, non seulement pour la découverte de l'électron, mais aussi pour avoir révolutionné notre façon de concevoir les atomes. Bien que le modèle du « plum pudding » ait finalement été remplacé, il représentait une étape cruciale vers une compréhension moderne du sujet. Thomson a remis en question l'idée selon laquelle les atomes étaient indivisibles avec ses postulats et a ouvert les portes d'une ère de recherche subatomique.
À mon avis, ce qu'il y a de plus admirable dans l'œuvre de Thomson est sa capacité à voir au-delà des idées reçues et à proposer quelque chose de complètement nouveau, ce qui demande un courage intellectuel remarquable. Son modèle, bien que simple par rapport aux progrès ultérieurs, a joué un rôle clé dans le développement de la physique moderne. Cela nous rappelle que chaque théorie, même si elle est affinée ou abandonnée au fil du temps, peut être l'étincelle qui déclenchera la prochaine grande avancée scientifique.
En ce sens, l’héritage de Thomson ne réside pas seulement dans son modèle atomique, mais aussi dans sa capacité à remettre en question les acquis et à promouvoir une nouvelle façon de penser la nature de la matière. Sans ses travaux, la compréhension actuelle de l’atome n’aurait pas été possible.