histoire de la decouverte des atomes

LA DECOUVERTE DES ATOMES
J. JANDALY
L'hypothèse de Démocrite
Dans l'Antiquité, le philosophe grec Démocrite avait déjà émis l'idée que toute matière est constituée de petits grains
minuscules, que l'on pourrait voir si l'on pouvait approcher ses yeux très près. L'idée lui en était venue en regardant une plage de
sable : de loin on voit une couleur uniforme, mais si l'on se rapproche on voit les grains.
Ces minuscules grains de matière, Démocrite les nomme "a-tomos" ce qui signifie en grec "impossible à couper".
Mais le philosophe ne peut fournir aucune preuve de l'existence des atomes, et il faudra attendre longtemps (fin du XIXe siècle)
pour que les scientifiques y parviennent.
Qu'y a-t-il dans un atome ?
Au début du XXe siècle, on savait déjà qu'un atome contient une ou des
particules de charge électrique positive, et d'autres particules de charge électrique
négative, mais on ignorait comment ces particules sont disposées dans l'atome. Dans
les années 1910, le Néo-Zélandais Rutherford démontre que les atomes sont
constitués ainsi :
• au centre un noyau incroyablement petit (100 000 fois plus petit que
l'atome lui-même), de charge électrique positive,
• autour du noyau des électrons, de charge électrique négative.
A la même époque, l'Américain Millikan parvient à mesurer la charge
électrique d'un électron : – 1,6 x 10 –19 coulomb, ce qui permet ensuite de calculer sa
masse : 9 x 10 – 31 kilogramme. Cette valeur est absolument minuscule par rapport à
celle d'un atome entier : le noyau concentre plus de 99,8 % de la masse d'un atome.
Aucune expérience ne permettant de déterminer la taille des électrons, la
plupart des physiciens de l'époque imaginent qu'ils sont très petits, tout comme le
noyau. Et ils imaginent aussi que les électrons tournent autour du noyau, un peu
comme les planètes autour du Soleil (schéma ci-contre). C'est la "représentation
planétaire" de l'atome, très utilisée dans les années 1910 à 1920.
La représentation planétaire d'un atome
J. Jandaly
Que sait-on des électrons ?
Pourtant, dès les années 1910, il y a une chose que les physiciens ne comprennent pas : ils savent que toute charge électrique
en mouvement rayonne obligatoirement de l'énergie lumineuse, et perd alors de la vitesse ; les électrons devraient donc ralentir et
venir s'écraser sur le noyau. La représentation planétaire ne peut donc pas être correcte : un atome n'est pas un ensemble de
minuscules électrons en train de tourner autour du noyau. Mais alors, à quoi ressemblent les électrons dans un atome ?
Voici la réponse : encore aujourd'hui, on ne sait pas comment sont les électrons dans un atome. Il y a d'abord une raison
technique : pour savoir où se trouve un électron, il faudrait le photographier, mais on n'en est pas capable, étant donnée la petitesse
des atomes. La deuxième raison est plus profonde : même si on arrivait un jour à photographier un électron, il faudrait pour cela
l'éclairer, et ces grains de lumière modifieraient inévitablement l'énergie et la position de l'électron. C'est un fait : toute observation,
toute mesure effectuée sur un objet aussi petit qu'un électron le perturbe très fortement. C'est un peu comme si, pour connaître la vie
des fourmis dans une fourmilière, le biologiste était obligé de donner des grands coups de pied dedans !
Les physiciens ne se sont pas découragés pour autant. Ils ont bâti une science, la
mécanique quantique, qui permet de calculer la probabilité qu'on aurait de trouver les
électrons à tel ou tel endroit autour du noyau, si on arrivait à les photographier. Sur le
dessin ci-contre, représentant un atome d'hydrogène (un seul électron), plus la zone est
foncée plus il y a de probabilité de trouver l'électron. La probabilité est maximale à
0,0529 nanomètre de distance du noyau.
Attention : la mécanique quantique permet seulement de dire où l'on aurait une
chance de trouver un électron lors d'une expérience cherchant à déterminer sa position.
Elle ne dit pas à quoi ressemble un électron quand on ne fait aucune mesure sur lui.
Au milieu du XXe siècle, les physiciens ont aussi compris que le noyau et les
électrons s'échangent en permanence des particules de masse nulle appelées photons, ou
Probabilité de présence de l'électron plus précisément "photons virtuels" car leur durée de vie est très courte : ils
disparaissent et apparaissent sans arrêt.
d'un atome d'hydrogène
Il n'est donc pas exact de dire qu'entre le noyau et les électrons, il n'y a rien.
J. Jandaly
Questions sur texte (réponds par des phrases rédigées reprenant les mots de la question) :
1. Que peut-on dire de la taille du noyau par rapport à celle de l'atome entier ?
2. Que peut-on dire de la masse du noyau par rapport à celle de l'atome entier ?
3. Ecris la valeur de la charge électrique d'un électron sans utiliser les puissances de 10. Même question pour sa masse.
4.
a) Comment s'appelle la représentation où les électrons sont dessinés en orbite autour du noyau ?
b) Pourquoi cette représentation est-elle fausse ?
5. Quelles sont les deux raisons pour lesquelles on ne sait pas comment sont les électrons à l'intérieur d'un atome ?
6. Pour un atome d'hydrogène, à quelle distance du noyau aurait-on le plus de chance de trouver l'électron ?