Document : histoire de l`atome

Historique et description du modèle de l’atome
(D’après l’encyclopédie Encarta 2002)
1. L’histoire de l’atome
1.1. La naissance de l’idée d’atome
Au Ve siècle av. J.-C., le savant grec Leucippe, puis son élève Démocrite ont l’intuition que toute matière est
constituée de petits grains invisibles et insécables qu’ils appellent atomes. Imaginons que nous divisions un
matériau en des morceaux de plus en plus petits, il arrive forcément un moment où les morceaux obtenus ne
peuvent plus être divisés. Ces morceaux qu’on ne peut plus diviser sont les composants ultimes de la
matière : les atomes (du grec atomos : qu’on ne peut diviser). D’autres philosophes grecs contemporains
proposent une conception de la matière totalement différente.
1.2. La théorie des quatre éléments
Pour Empédocle et Aristote, la matière est un mélange de quatre éléments primordiaux : l’eau,
l’air, la terre et le feu. Apparemment moins philosophique que la théorie atomistique de
Leucippe et Démocrite, cette théorie semble se fonder sur des faits plus concrets : un matériau
est plus léger qu’un autre car il contient plus d’air ; lorsqu’un objet brûle, c’est le feu qu’il contient
qui s’échappe ; etc. Ces idées prévaudront pendant plus de vingt siècles !
1.3. La renaissance de la théorie atomique
Ce n’est qu’au début du XVIIIe siècle que la théorie d’Aristote est battue en brèche par les
travaux de Lavoisier et les observations d’un chimiste anglais Dalton. À cette époque, les
chimistes se sont aperçus que les matériaux réagissent toujours dans des proportions
bien définies. Ainsi, 1 g d’hydrogène (ou dihydrogène) réagit toujours
avec une masse bien déterminée de 8 g d’oxygène (ou dioxygène) pour
former 9 g d’eau. Ces proportions sont toujours les mêmes quelles que
soient les masses considérées : 2 g d’hydrogène réagissent donc avec 16 g
d’oxygène pour former 18 g d’eau. Pour Dalton, ce fait n’est possible que si
la matière est composée de petits grains indivisibles : ce sont les atomes !
Cependant, la théorie atomique eut du mal à faire l’unanimité chez les
scientifiques et il fallut plus d’un siècle pour qu’elle soit acceptée par tous.
1.4. De nouvelles découvertes
En 1897, le physicien britannique J. J. Thomson découvre des particules chargées
électriquement et de masse beaucoup plus petite que l’atome : les électrons. L’atome n’est
donc pas le composant ultime de la matière ! Pierre et Marie Curie découvrent, au même
moment, la radioactivité et le physicien britannique E. Rutherford montre qu’elle provient
de la transformation d’un atome en un autre. L’atome peut donc
se diviser !
1.5. Les premiers modèles de l’atome
Suite à ces découvertes, J. J. Thomson propose en 1904 un modèle de l’atome :
celui-ci est constitué d’une substance chargée positivement dans laquelle
baignent des particules chargées négativement : les électrons (voir le schéma).
E. Rutherford découvre en 1911 que l’atome est constitué d’un
noyau central dans lequel se concentre toute la masse de l’atome. Il
en déduit un nouveau modèle de l’atome appelé modèle planétaire
car les électrons y tournent autour du noyau comme des planètes
autour du Soleil. En 1913, le physicien danois N. Bohr complète ce
modèle en précisant que les électrons ne peuvent tourner autour du
noyau que sur des orbites bien déterminées (quantification). Qu’en estil aujourd’hui ?
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2. Le modèle actuel de l’atome
2.1. Description du modèle
L’atome est constitué d’un noyau central chargé positivement autour duquel tournent
des électrons chargés négativement. Ces électrons constituent le cortège
électronique. On a découvert que le noyau contenait d’autres particules appelées
protons et neutrons, appelés nucléons, et que l’on ne peut prédire avec certitude si
un électron se trouve sur l’une ou l’autre des orbites.
L’atome devient flou car on parle de régions où la probabilité de présence
des électrons est maximale (orbitales électroniques). Dans le modèle
représenté ci-dessous, plus les points sont rapprochés, plus il est probable
de trouver un électron dans cette zone. La physique permettant de
calculer la fonction d’onde décrivant chaque électron et son énergie est
appelée équation de Schrödinger et elle est la base de la mécanique
quantique, initiée par Einstein avec la théorie du photon (grain de
lumière émis ou absorbé lorsque les électrons changent d’orbitale).
Le nombre de charges positives portées par le noyau est égal au nombre de charges négatives portées par
tous les électrons : l’atome est électriquement neutre.
2.2. Une centaine d’atomes différents
L’tome d’hydrogène possède 1 électron tandis que l’atome de
carbone en possède 6.
L’atome d’hydrogène ne compte qu’un seul électron et son noyau
porte une charge « + ».
L’atome de carbone compte 6 électrons et son noyau porte 6
charges « + ».
Les différents types d’atomes se différencient donc par leur nombre
d’électrons. Puisque l’atome est électriquement neutre, les noyaux
atomiques doivent également porter un nombre différent de
charges positives selon le type d’atomes.
2.3. Quelques ordres de grandeur
Donnons quelques valeurs numériques :
– la masse d’un électron : 9,1 × 10 – 31 kg,
– la masse d’un noyau : de 10 – 27 à 10 – 25 kg,
– le diamètre d’un noyau : de l’ordre de 10 – 15 m,
– le diamètre d’un atome : de l’ordre de 10 – 10 m.
Si nous comparons les diamètres d’un noyau et d’un atome, nous constatons que l’atome est environ
100 000 fois plus grand que le noyau : si le noyau était un petit pois de 1 cm, l’atome tiendrait dans une
sphère de 1 km de diamètre ! Comme la masse des électrons est très petite devant celle du noyau, cela
signifie que la masse de l’atome est concentrée (à 99,97 p.100) dans son noyau. Toute la masse de
l’atome étant quasiment concentrée dans le noyau et l’atome étant beaucoup plus grand que son noyau, le
reste de l’atome n’est donc constitué que de vide ! Si on enlevait le vide de tous les atomes de la Terre, celleci tiendrait dans une sphère de 150 m de rayon (c’est d’ailleurs, à peu près, l’état dans le quel se trouve la
matière dans des étoiles dites étoiles à neutrons) ! De même, tous les noyaux de l’humanité pourraient tenir
dans un dé à coudre.
2.4. L’observation des atomes
Avant 1986, il était totalement impossible de visualiser un atome car
les microscopes existants ne permettaient de voir que des détails de
l’ordre de 10 –7 m.
Le microscope à effet tunnel, inventé cette année-là, ne permet
pas de les voir directement mais, grâce à lui,
on peut interpréter un certain nombre de
données jusqu’alors inaccessibles et qui, une
fois collectées dans un ordinateur, permettent
de recréer des images d’atomes.
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