MODÈLES ATOMIQUES
L'un des grands apports de la mécanique quantique a été la meilleure interprétation des phénomènes à la plus petite échelle connue de la science jusqu'alors, l'atome. Le physicien qui a réussi à donner une explication quantitative de l'atome était le danois Niels Bohr, mais pour comprendre quelle a été sa contribution à la structure atomique, passons en revue quelques modèles réalisés pour l'atome qui l'ont précédé.
Jean Dalton (1766 - 1844):
John Dalton a dit :
- Tout dans la nature est composé d'atomes
- Les atomes ne peuvent pas être créés ou détruits. Cela signifie que le nombre d'atomes de tout élément chimique doit rester constant dans l'univers depuis son origine.
- Des atomes égaux ont les mêmes propriétés et des atomes différents ont des propriétés différentes. Les atomes d'un élément donné sont caractérisés par leurs masses. (Avenir prouvé autrement, les atomes sont caractérisés par leur numéro atomique et non par leurs masses).
- Les atomes peuvent se combiner et se recombiner pour former des structures plus stables, appelées molécules, qui constituent la structure de base de toutes les substances.
JJ Thompson (1856-1940):
Thompson a pu déterminer la relation charge-masse des rayons cathodiques, prouvant expérimentalement que les "rayons" étaient des particules chargées. Ceci est considéré comme la découverte officielle de l'électron. Le nom électron vient du grec elektron, qui signifie ambre, la résine végétale frottée par les anciens avec des peaux d'animaux, qui a commencé à acquérir la capacité d'attirer les objets légers. La déclaration de Thompson était la première observation expérimentale de la nature électrique de la matière. L'autre partie de la matière était composée d'une masse positive, qui neutralisait la charge des électrons et rendait les atomes électriquement neutres.
C'est en 1898 que Thompson a formulé son modèle atomique, dans lequel l'atome est une masse positive avec des électrons négatifs intégrés. Ce modèle a été baptisé "Pudding de raisins secs".
Ainsi, le modèle atomique de Thompson présente deux innovations fondamentales par rapport à l'atome de Dalton :
- L'atome a une caractéristique électrique.
- L'atome est dissible, contrairement à ce qu'imaginaient les anciens penseurs grecs et John Dalton lui-même.
Rutherford (1871-1937) :
Rutherford a utilisé les émissions des atomes de polonium, avec les scientifiques Geiger et Marsden, et a réalisé l'une des expériences les plus importantes pour tenter de découvrir la bonne comportement des atomes.
L'expérience consistait en un émetteur de particules Alpha (α) telles que le polonium, et ces faisceaux de particules étaient lancés contre une très fine feuille d'or. Lorsque ces particules frappent la pale, les particules subissent une sorte de déviation, peu sont déviées mais les très rares qui frappent la pale reviennent dans la direction opposée. Si le modèle "Plum Pudding" était correct, ce à quoi Rutherford et le reste de l'équipe s'attendaient était que toutes les particules (α) traverse la plaque d'or, ne subissant que de légères déviations, car selon la théorie de Thompson, ni les corps négatifs ni les nuages positifs n'auraient une densité de masse ou une charge suffisante pour réfléchir les particules_cc781905-5cde -3194- bb3b-136bad5cf58d_(α).
Avec cela, Rutherford a imaginé que l'atome aurait une région beaucoup plus petite que la taille de l'atome lui-même, concentrant presque toute sa masse en son centre. L'atome serait un grand espace vide, avec des électrons éloignés du noyau et de masse pratiquement négligeable. Le modèle atomique de Rutherford est illustré dans l'image ci-dessous.
L'atome moderne :( XX - XXI ):
D'autres modèles atomiques plus modernes, impliquant la mécanique ondulatoire et la mécanique quantique, ont suivi et expliqué une série de failles dans le modèle de Rutherford. L'un des scientifiques qui a montré une forme stable et élégante pour l'atome était Niels Bohr.
Le modèle de Rutherford présentait de sérieuses incohérences dans l'explication du mouvement des électrons. Selon la mécanique classique, une particule électrique en mouvement devrait émettre en continu des ondes électromagnétiques. Cela ferait perdre de l'énergie à l'électron jusqu'à ce qu'il entre en collision avec le noyau, c'est-à-dire que, par la mécanique classique, l'atome de Rutherford serait instable.
Niels Bohr en 1903, intéressé à expliquer l'émission de lumière par des atomes excités, réussit à formuler un nouveau modèle atomique. On savait déjà que les sources de lumière visible dépendaient essentiellement du mouvement des électrons. Les électrons dans les atomes peuvent être levés de leurs états d'énergie les plus bas à leurs états d'énergie les plus élevés par diverses méthodes, telles que la chaleur ou le courant électrique. Lorsque les électrons reviennent finalement à leurs niveaux les plus bas, ils émettent un rayonnement qui peut se situer dans la région visible du spectre. Voir ci-dessous le modèle proposé par Bohr.
Bohr a conclu que l'électron n'émettait pas de rayonnement tout en restant sur la même orbite, il n'émettait de rayonnement qu'en passant d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau d'énergie inférieur .
La théorie quantique lui a permis de formuler une conception plus précise : les orbites ne seraient situées à aucune distance du noyau, au contraire, seules quelques orbites possible, chacune correspondant à un niveau d'énergie spécifique de l'électron. Le passage d'un électron vers une orbite devrait se faire par sauts, l'électron ne voyagerait pas dans l'espace entre ces couches, car en absorbant de l'énergie, l'électron sauterait vers une orbite plus externe (un concept appelé Quantum Leap) et , lors de l'émission, il passerait à un plus interne (un concept connu sous le nom de photon). Chacune de ces émissions apparaît dans le spectre comme une raie lumineuse bien placée.
Avec toutes ces théories mentionnées ci-dessus, telles que le rayonnement du corps noir, l'effet photoélectrique et la nouvelle théorie atomique de Bohr, la mécanique quantique est bien ancrée dans les concepts et les théories. Après ces découvertes, la science a pris une nouvelle direction dans laquelle les scientifiques se sont rendus compte que pour les plus petites échelles telles que l'atome ou plus petites que lui, les lois de cet univers microscopique sont régies par les lois de la mécanique quantique, des lois complètement différentes quand il s'agit de la univers quotidien, macroscopique, auquel nous verrons plus en détail comment a été la suite de cette théorie et à quelles branches elle s'applique.