J’adore cette histoire. C’est une histoire de la façon dont les idées ont changé sur la nature de l’atome. Ce sont les notes (et les diagrammes) que j’utilise lorsque j’enseigne la nature atomique de la matière à des majors non scientifiques. La meilleure chose à propos de cette histoire est qu’elle est un excellent exemple de science. La science (ou les scientifiques) construisent un modèle. Si de nouvelles preuves arrivent, le modèle change. Il existe plusieurs autres sites Web qui décrivent tout cela, je vais en énumérer quelques-uns à la fin de ce post.

Modèle de manuel typique d’un atome

Regardez dans un manuel d’introduction non scientifique et vous verrez probablement une image comme celle-ci de l’atome. Ce modèle contient de bonnes idées, mais dans l’ensemble, il a quelques problèmes. La clé (et non les points incorrects) de ce modèle sont:

• L’atome est constitué de protons, de neutrons et d’électrons
• La majeure partie de l’espace est occupée par la zone où existent les électrons
• Les protons et les neutrons sont dans le noyau de l’atome – appelé le noyau

Modèle grec de l’Atome

Il faut toujours revenir aux Grecs, n’est-ce pas ? Ils ont fait beaucoup de choses. Je sais qu’ils étaient vraiment des scientifiques, mais c’est quand même un bon point de départ. Voici une photo du buste de Démocrite.

Dans la vraie vie, il avait probablement de la couleur. Démocrite est crédité d’avoir inventé l’atome. La question était: que se passerait-il si vous continuiez à prendre quelque chose (comme un arbre) et à le briser en morceaux de plus en plus petits? Serait-ce toujours un morceau d’arbre? Pourriez-vous continuer à le briser en morceaux de plus en plus petits? Démocrite a dit que si vous continuez à le décomposer, vous atteindrez une taille qui ne pourrait plus être cassée. Ce serait la pièce indivisible. En grec, atomos = indivisible. Ainsi, l’atome. (Je sais qu’il y a plus pour les Grecs, mais j’ai besoin d’un endroit pour commencer)

Le modèle de Dalton

Je ne vais pas entrer dans les preuves expérimentales du modèle de Dalton de l’atome, c’est quand même une bonne chose. Permettez-moi d’énoncer ce que Dalton a dit:

• Les choses peuvent être divisées en éléments (les choses énumérées dans le tableau périodique).
• Les éléments sont des atomes de masses différentes.
• Les composés sont une combinaison d’éléments. Tu sais, comme l’eau, le sel ou la pizza.

Fondamentalement, Dalton vient d’élargir l’idée grecque de l’atome. Un atome est une petite chose, et il y a différentes masses avec des propriétés différentes.

J. Jonah Jameson Thomson – (ALIAS J.J.)

Thomson jouait avec des rayons cathodiques. Ce ne sont que des faisceaux d’électrons (mais les rayons cathodiques semblent plus froids). En faisant interagir le faisceau avec les champs électriques et magnétiques, Thomson a pu déterminer le rapport masse/ charge d’un électron. Donc, à partir de là, il savait que l’électron venait de l’atome, il avait une charge négative et une petite masse. Voici le modèle qu’il a proposé.

Thomson a pris l’idée de l’atome et a essayé d’incorporer les preuves pour l’électron. Dans ce modèle, les électrons sont les petites choses et le reste des choses est une matière positive. C’est ce qu’on appelle communément le modèle de pudding à l’aplomb parce que les électrons sont comme des choses dans le pudding positif.

Diffusion de Rutherford

Ernest Rutherford a dit un jour « hé, je pense que je vais tirer des trucs sur les atomes. »Je suis sûr que sa femme a dit « oh, Ernie » (elle l’a probablement appelé Ernie) « si cela vous rend heureux de jouer avec vos petits trucs de physique, allez-y. Je sais à quel point ça te plaît. » Il l’a fait. Il a tiré des particules alpha (qui ne sont vraiment que le noyau d’un atome d’hélium) sur une feuille d’or très mince. Voici un schéma de son expérience.

Si vous tirez ces particules alpha positives sur cet atome de pudding positif, elles devraient surtout rebondir, non? Eh bien, ce n’est pas ce qui s’est passé. Rutherford a constaté que la plupart d’entre eux ont traversé le film. Certains d’entre eux ont rebondi. Comment cela pourrait-il être si le modèle de pudding à l’aplomb était correct? L’expérience de Rutherford a provoqué un changement dans le modèle atomique. Si les particules alpha positives ont principalement traversé la feuille, mais certaines ont rebondi. ET s’ils savaient déjà que l’électron était petit et négatif, alors l’atome doit avoir un petit noyau positif avec les électrons autour d’eux.

Modèle de Bohr

Le modèle proposé par Niels Bohr est celui que vous verrez dans de nombreux textes d’introduction à la science. Il y a beaucoup de bonnes idées dans ce modèle, mais ce n’est pas celui qui est d’accord avec toutes les preuves actuelles. Le modèle essaie de faire un lien entre la lumière et les atomes.

Supposons que vous preniez de la lumière et que vous laissiez différentes couleurs plier différentes quantités (pensez à l’arc-en-ciel). De cette façon, vous pouvez voir quelles couleurs sont présentes pour différentes sources de lumière. Voici trois sources lumineuses différentes.

Peut-être que la lumière de l’ampoule est ce à quoi vous vous attendez. Ce sont les couleurs de l’arc-en-ciel. Cependant, supposons que vous ayez pris du gaz hydrogène et que vous l’ayez excité. Il n’y aurait que certaines couleurs (seulement certaines longueurs d’onde) de la lumière produite. Si vous faites briller la lumière à travers du gaz hydrogène, il y aura des bandes de lumière sombres à ces mêmes couleurs.

Ainsi, Bohr a dit que ces couleurs de lumière dans le gaz hydrogène correspondent à différents niveaux d’énergie que l’électron dans l’hydrogène peut avoir. Et c’est la clé du modèle de Bohr – les électrons ne peuvent être qu’à certains niveaux d’énergie dans l’atome. C’est fou (du moins c’était fou pour son époque). Pensez à une planète en orbite autour du Soleil. Cela peut être à n’importe quel niveau d’énergie. Dans ce cas, il y a une force gravitationnelle attirant la planète qui produit un mouvement orbital. Cela fonctionnera n’importe où dans le système solaire.

Les premiers physiciens pensaient que l’électron dans un atome ressemblait beaucoup à une planète en orbite autour du Soleil. La principale différence est que l’électron (dans le modèle de Bohr) orbite en raison d’une interaction électrique et non d’une interaction gravitationnelle. Eh bien, l’autre différence dans le modèle de Bohr est que l’électron ne peut pas orbiter (s’il orbite, ce qu’il ne fait pas) à n’importe quelle distance et n’importe quelle énergie. Voici l’essence du modèle Bohr.

Le modèle de Bohr dépend d’une connexion entre la fréquence de la lumière et l’énergie du changement de niveau. Si la lumière d’une fréquence correspondant au changement d’énergie interagit avec l’atome, l’électron peut absorber la lumière et sauter d’un niveau. Si un électron excité saute d’un niveau, il perd de l’énergie. L’énergie que l’électron perd devient de la lumière avec une fréquence correspondant à un changement d’énergie.

Le modèle de Bohr peut être assez déroutant pour les étudiants d’introduction, mais le point important est que ce modèle est en accord avec les preuves suivantes.

• Les électrons sont petits et chargés négativement
• Les protons sont dans le noyau avec est petit par rapport à la taille de l’atome
• Pour un élément particulier, seules certaines fréquences (couleurs) de la lumière sont absorbées ou émises.

Modèle de Schrodinger et Heisenberg

Il y a un point clé sur le modèle de Bohr qui n’est plus accepté dans les modèles actuels de l’atome. Dans le modèle de Bohr, on pense toujours que les électrons orbitent autour du noyau tout comme les planètes orbitent autour du soleil. En fait, c’est quelque chose que nous ne pouvons pas dire est vrai. Le problème avec les atomes et les électrons est que nous, les humains, sauf eux, devons obéir aux mêmes règles que les balles de baseball et les planètes. En fait, les règles sont les mêmes, mais les balles de baseball et les planètes suivent les règles de la mécanique quantique sans que nous, les humains, ne nous en rendions compte.

Il s’avère que nous ne pouvons vraiment rien dire sur la trajectoire ou la position des électrons dans un atome. Ce que nous pouvons dire est tout au sujet des probabilités. Nous pouvons dire quelles régions un électron est susceptible d’être. Voici un diagramme qui pourrait vous aider. Ce sont des distributions de probabilité pour les différents niveaux d’énergie dans un atome (de wikipedia)

Résumé

Les scientifiques construisent des modèles. Lorsque de nouvelles preuves sont collectées, les modèles changent.

Liens

• Histoire de l’Atome – c’est une vieille page qui a des images brisées, mais c’est toujours de bonnes choses
• Physics 2000 de l’Université du Colorado – encore une fois, vieille, mais bonne (sinon un peu idiote)
• Modèle Physlet Bohr
• Tutoriel sur les atomes
• Wikipedia – Démocrite
• Wikipedia – J.J. Thomson
• Wikipedia- Ernest Rutherford
• Wikipedia – Niels Bohr

Mise à jour:

J’ai totalement oublié que j’ai fait une conférence vidéo pour ce même truc. Si vous aimez écouter et regarder au lieu de lire, vérifiez ceci.

Matière et atomes de Rhett Allain sur Vimeo.

Il y a aussi un grand livre sur l’histoire de l’atome. Histoire de la physique par Isaac Asimov. Je recommande vivement ce livre, même s’il n’est plus imprimé. J’ai trouvé mon exemplaire dans une librairie d’occasion.