Skip to main content
Global

2.2 : Évolution de la théorie atomique

  • Page ID
    193941
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Objectifs d'apprentissage
    • Décrire les étapes du développement de la théorie atomique moderne
    • Résumez et interprétez les résultats des expériences de Thomson, Millikan et Rutherford
    • Décrire les trois particules subatomiques qui composent les atomes
    • Introduisez le terme isotopes

    Au cours des deux siècles qui se sont écoulés depuis que Dalton a développé ses idées, les scientifiques ont fait des progrès importants pour approfondir notre compréhension de la théorie atomique. Cela provient en grande partie des résultats de plusieurs expériences fondamentales qui ont révélé les détails de la structure interne des atomes. Nous aborderons ici certains de ces développements clés, en mettant l'accent sur l'application de la méthode scientifique, ainsi que sur la compréhension de la manière dont les preuves expérimentales ont été analysées. Bien que les personnages historiques et les dates à l'origine de ces expériences puissent être très intéressants, il est très important de comprendre les concepts issus de leurs travaux.

    La théorie atomique après le XIXe siècle

    Si la matière était composée d'atomes, de quoi étaient composés les atomes ? Étaient-elles les plus petites particules ou existaient-elles quelque chose de plus petit ? À la fin des années 1800, un certain nombre de scientifiques intéressés par de telles questions ont étudié les décharges électriques qui pouvaient être produites dans les gaz à basse pression, la découverte la plus importante ayant été faite par le physicien anglais J. J. Thomson utilisant un tube à rayons cathodiques. Cet appareil se composait d'un tube de verre scellé d'où la quasi-totalité de l'air avait été évacuée ; le tube contenait deux électrodes métalliques. Lorsqu'une haute tension a été appliquée aux électrodes, un faisceau visible appelé rayon cathodique est apparu entre elles. Ce faisceau a été dévié vers la charge positive et éloigné de la charge négative, et a été produit de la même manière avec des propriétés identiques lorsque différents métaux étaient utilisés pour les électrodes. Dans des expériences similaires, le rayon a été simultanément dévié par un champ magnétique appliqué, et les mesures de l'étendue de la déflexion et de l'intensité du champ magnétique ont permis à Thomson de calculer le rapport charge/masse des particules du rayon cathodique. Les résultats de ces mesures ont indiqué que ces particules étaient beaucoup plus légères que les atomes (Figure\(\PageIndex{1}\)).

    alt
    Figure\(\PageIndex{1}\) : (a) J. J. Thomson a produit un faisceau visible dans un tube cathodique. (b) Il s'agit d'un des premiers tubes cathodiques, inventé en 1897 par Ferdinand Braun. (c) Dans le rayon cathodique, le faisceau (représenté en jaune) provient de la cathode et est accéléré au-delà de l'anode pour atteindre une échelle fluorescente à l'extrémité du tube. Des déflexions simultanées dues à l'application de champs électriques et magnétiques ont permis à Thomson de calculer le rapport masse/charge des particules composant le rayon cathodique. (crédit a : modification d'une œuvre par la Fondation Nobel ; crédit b : modification d'une œuvre par Eugen Nesper ; crédit c : modification d'une œuvre par « Kurzon » /Wikimedia Commons).

    Sur la base de ses observations, voici ce que Thomson a proposé et pourquoi : Les particules sont attirées par des charges positives (+) et repoussées par des charges négatives (−), elles doivent donc être chargées négativement (comme les charges repoussent et contrairement aux charges s'attirent) ; elles sont moins massives que les atomes et impossibles à distinguer, quel que soit le matière d'origine, ils doivent donc être des constituants subatomiques fondamentaux de tous les atomes. Bien que controversée à l'époque, l'idée de Thomson a été progressivement acceptée, et sa particule cathodique est ce que nous appelons aujourd'hui un électron, une particule subatomique chargée négativement dont la masse est plus de mille fois inférieure à celle d'un atome. Le terme « électron » a été inventé en 1891 par le physicien irlandais George Stoney, à partir de « electr ic in on ».

    En 1909, le physicien américain Robert A. Millikan a découvert plus d'informations sur l'électron grâce à ses expériences de « goutte d'huile ». Millikan a créé des gouttelettes d'huile microscopiques, qui pouvaient être chargées électriquement par friction lors de leur formation ou à l'aide de rayons X. Ces gouttelettes sont initialement tombées sous l'effet de la gravité, mais leur progression vers le bas a pu être ralentie, voire inversée, par un champ électrique situé plus bas dans l'appareil. En ajustant l'intensité du champ électrique et en effectuant des mesures minutieuses et des calculs appropriés, Millikan a pu déterminer la charge sur des gouttes individuelles (Figure\(\PageIndex{2}\)).

    L'appareil expérimental consiste en un atomiseur d'huile qui pulvérise de fines gouttelettes d'huile dans un grand récipient hermétique. L'huile pulvérisée atterrit sur une plaque de laiton chargée positivement avec un trou d'épingle au centre. Lorsque les gouttes tombent à travers le trou d'épingle, elles traversent les rayons X émis à l'intérieur du contenant. Cela donne aux gouttelettes d'huile une charge électrique. Les gouttelettes d'huile atterrissent sur une plaque de laiton chargée négativement. Un oculaire télescopique pénètre à l'intérieur du récipient afin que l'utilisateur puisse observer comment les gouttelettes d'huile chargées réagissent à la plaque en laiton chargée négativement. Le tableau qui accompagne cette figure donne la charge, en coulombs ou en C, pour 5 gouttes d'huile. La goutte d'huile A a une charge de 4,8 fois 10 à une puissance négative de 19. La goutte d'huile B a une charge de 3,2 fois 10 à une puissance négative de 19. La goutte d'huile C a une charge de 6,4 fois 10 à une puissance négative de 19. La goutte d'huile D a une charge de 1,6 fois 10 à une puissance négative de 19. La goutte d'huile E a une charge de 4,8 fois 10 à une puissance négative de 19.
    Figure\(\PageIndex{2}\) : L'expérience de Millikan a mesuré la charge de gouttes d'huile individuelles. Les données tabulées sont des exemples de quelques valeurs possibles.

    En regardant les données de charge recueillies par Millikan, vous avez peut-être reconnu que la charge d'une gouttelette d'huile est toujours un multiple d'une charge spécifique, 1,6\(\times\) 10 −19 C. Millikan a conclu que cette valeur devait donc être une charge fondamentale, la charge d'un seul électron, avec sa des charges dues à un excès d'un électron (1 fois 1,6\(\times\) 10 -19 C), de deux électrons (2 fois 1,6\(\times\) 10 -19 C), de trois électrons (3 fois 1,6\(\times\) 10 -19 C), et ainsi de suite, sur une gouttelette d'huile donnée. Comme la charge d'un électron était désormais connue grâce aux recherches de Millikan et que le rapport charge/masse était déjà connu grâce aux recherches de Thomson (1,759\(\times\) 10 11 C/kg), il n'a fallu qu'un simple calcul pour déterminer également la masse de l'électron.

    \[\mathrm{Mass\: of\: electron=1.602\times 10^{-19}\:\cancel{C}\times \dfrac{1\: kg}{1.759\times 10^{11}\:\cancel{C}}=9.107\times 10^{-31}\:kg} \tag{2.3.1} \]

    Les scientifiques avaient maintenant établi que l'atome n'était pas indivisible comme Dalton l'avait cru, et grâce aux travaux de Thomson, de Millikan et d'autres, la charge et la masse des particules subatomiques négatives, les électrons, étaient connues. Cependant, la partie chargée positivement d'un atome n'était pas encore bien comprise. En 1904, Thomson a proposé le modèle des atomes du « pudding aux prunes », qui décrit une masse chargée positivement avec une quantité égale de charge négative sous forme d'électrons intégrés dans celle-ci, puisque tous les atomes sont électriquement neutres. Un modèle concurrent avait été proposé en 1903 par Hantaro Nagaoka, qui postulait un atome semblable à Saturne, constitué d'une sphère chargée positivement entourée d'un halo d'électrons (Figure\(\PageIndex{3}\)).

    La figure A montre une photographie du pudding aux prunes, qui est un gâteau épais, presque sphérique, contenant des raisins secs partout. À droite, un modèle atomique est rond et contient des électrons chargés négativement intégrés dans une sphère de matière chargée positivement. La figure B montre une photographie de la planète Saturne, qui a des anneaux. À droite, un modèle atomique est une sphère de matière chargée positivement entourée d'un anneau d'électrons chargés négativement.
    Figure\(\PageIndex{3}\) : (a) Thomson a suggéré que les atomes ressemblaient à du pudding aux prunes, un dessert anglais composé d'un gâteau moelleux avec des raisins secs enrobés (« prunes »). (b) Nagaoka a proposé que les atomes ressemblaient à la planète Saturne, avec un anneau d'électrons entourant une « planète » positive. (crédit a : modification de l'œuvre par « Man vyi » /Wikimedia Commons ; crédit b : modification de l'œuvre par « NASA » /Wikimedia Commons).

    Le développement majeur suivant dans la compréhension de l'atome est venu d'Ernest Rutherford, un physicien néo-zélandais qui a passé une grande partie de sa carrière scientifique au Canada et en Angleterre. Il a réalisé une série d'expériences en utilisant un faisceau de particules alpha chargées positivement à haute vitesse (particules α) produites par la désintégration radioactive du radium ; les particules α sont constituées de deux protons et de deux neutrons (vous en apprendrez plus sur la désintégration radioactive dans le chapitre sur le nucléaire chimie). Rutherford et ses collègues Hans Geiger (plus tard célèbre pour le compteur Geiger) et Ernest Marsden ont pointé un faisceau de particules α, dont la source était incorporée dans un bloc de plomb pour absorber la majeure partie du rayonnement, sur un très mince morceau de feuille d'or et ont examiné la diffusion résultante de les particules α utilisant un écran luminescent qui brillait brièvement lorsqu'elles étaient touchées par une particule α.

    Qu'est-ce qu'ils ont découvert ? La plupart des particules ont traversé la feuille sans être déviées du tout. Cependant, certains ont été légèrement déviés et un très petit nombre d'entre eux ont été déviés presque directement vers la source (Figure\(\PageIndex{4}\)). Rutherford a décrit l'obtention de ces résultats : « C'est l'événement le plus incroyable qui me soit jamais arrivé dans ma vie. C'était presque aussi incroyable que si vous avez tiré un obus de 15 pouces sur un morceau de papier de soie et que celui-ci est revenu et vous a frappé » 1 (p. 68).

    Cette figure montre une boîte sur la gauche qui contient une source de radium de particules alpha qui génère un faisceau de particules alpha. Le faisceau traverse une ouverture à l'intérieur d'un écran luminescent en forme d'anneau qui est utilisé pour détecter les particules alpha dispersées. Un morceau de mince feuille d'or se trouve au centre de l'anneau formé par l'écran. Lorsque le faisceau rencontre la feuille d'or, la plupart des particules alpha la traversent directement et atteignent l'écran luminescent situé directement derrière la feuille. Certaines des particules alpha sont légèrement déviées par la feuille et heurtent l'écran luminescent situé sur le côté de la feuille. Certaines particules alpha sont fortement déviées et rebondissent pour atteindre l'avant de l'écran.
    Figure\(\PageIndex{4}\) : Geiger et Rutherford ont projeté des particules α sur un morceau de feuille d'or et ont détecté leur destination, comme le montre ce schéma de leur expérience. La plupart des particules ont traversé directement la feuille, mais quelques-unes ont été légèrement déviées et un très petit nombre ont été déviées de manière significative.

    Voici ce que Rutherford a déduit : étant donné que la plupart des particules α se déplaçant rapidement ont traversé les atomes d'or sans être déviées, elles ont dû traverser un espace essentiellement vide à l'intérieur de l'atome. Les particules alpha sont chargées positivement, de sorte que des déflexions se sont produites lorsqu'elles ont rencontré une autre charge positive (comme les charges se repoussent). Comme les charges similaires se repoussent les unes les autres, les quelques particules α chargées positivement qui ont changé de trajectoire brusquement ont dû heurter ou s'être approchées de près d'un autre corps qui avait également une charge positive très concentrée. Comme les déflexions se produisaient une petite fraction du temps, cette charge n'occupait qu'une petite partie de l'espace dans la feuille d'or. En analysant en détail une série de telles expériences, Rutherford a tiré deux conclusions :

    1. Le volume occupé par un atome doit être constitué d'une grande quantité d'espace vide.
    2. Un petit corps relativement lourd et chargé positivement, le noyau, doit se trouver au centre de chaque atome.

    Cette analyse a conduit Rutherford à proposer un modèle dans lequel un atome est constitué d'un très petit noyau chargé positivement, dans lequel la majeure partie de la masse de l'atome est concentrée, entouré d'électrons chargés négativement, de sorte que l'atome est électriquement neutre (Figure\(\PageIndex{5}\)).

    Le diagramme de gauche montre un faisceau vert de particules alpha frappant une feuille d'or rectangulaire. Certaines particules alpha rebondissent vers l'arrière après avoir heurté la feuille. Cependant, la plupart des particules traversent la feuille, certaines étant déviées lorsqu'elles traversent la feuille. Une boîte de légende montre une coupe agrandie de la feuille d'or. La plupart des particules alpha ne sont pas déviées, mais passent directement à travers la feuille car elles se déplacent entre les atomes d'or. Un très petit nombre de particules alpha sont déviées de manière significative lorsqu'elles touchent directement le noyau des atomes d'or. Quelques particules alpha sont légèrement déviées parce qu'elles se détachent du noyau d'un atome d'or.
    Figure\(\PageIndex{5}\) : Les particules α ne sont déviées que lorsqu'elles entrent en collision avec le noyau d'or chargé positivement ou qu'elles passent à proximité de celui-ci. Comme le noyau est très petit par rapport à la taille d'un atome, très peu de particules α sont déviées. La plupart traversent la région relativement vaste occupée par les électrons, qui sont trop légers pour dévier les particules qui se déplacent rapidement.

    Après de nombreuses autres expériences, Rutherford a également découvert que les noyaux d'autres éléments contiennent le noyau d'hydrogène comme « élément constitutif », et il a nommé cette particule plus fondamentale le proton, la particule subatomique chargée positivement présente dans le noyau. Avec un ajout, que vous apprendrez ensuite, ce modèle nucléaire de l'atome, proposé il y a plus d'un siècle, est toujours utilisé aujourd'hui.

    Une autre découverte importante a été la découverte d'isotopes. Au début des années 1900, les scientifiques ont identifié plusieurs substances qui semblaient être de nouveaux éléments, les isolant des minerais radioactifs. Par exemple, un « nouvel élément » produit par la désintégration radioactive du thorium a initialement reçu le nom de mésothorium. Cependant, une analyse plus détaillée a montré que le mésothorium était chimiquement identique au radium (un autre produit de désintégration), malgré une masse atomique différente. Ce résultat, ainsi que des résultats similaires pour d'autres éléments, ont amené le chimiste anglais Frederick Soddy à se rendre compte qu'un élément pouvait contenir des types d'atomes de différentes masses qui étaient chimiquement impossibles à distinguer. Ces différents types sont appelés isotopes, c'est-à-dire des atomes d'un même élément dont la masse diffère. Soddy a reçu le prix Nobel de chimie en 1921 pour cette découverte.

    Une énigme subsistait : le noyau était connu pour contenir la quasi-totalité de la masse d'un atome, le nombre de protons ne fournissant que la moitié, voire moins, de cette masse. Différentes propositions ont été avancées pour expliquer ce qui constituait la masse restante, y compris l'existence de particules neutres dans le noyau. Comme on pouvait s'y attendre, la détection de particules non chargées est très difficile, et ce n'est qu'en 1932 que James Chadwick a découvert des preuves de la présence de neutrons, des particules subatomiques non chargées dont la masse est à peu près la même que celle des protons. L'existence du neutron explique également les isotopes : ils ont une masse différente parce qu'ils ont un nombre différent de neutrons, mais ils sont chimiquement identiques parce qu'ils ont le même nombre de protons. Cela sera expliqué plus en détail plus loin dans ce chapitre.

     

     

    Résumé

    Bien que personne n'ait réellement vu l'intérieur d'un atome, les expériences ont démontré beaucoup de choses sur la structure atomique. Le tube cathodique de Thomson a montré que les atomes contiennent de petites particules chargées négativement appelées électrons. Millikan a découvert qu'il existe une charge électrique fondamentale : la charge d'un électron. L'expérience de Rutherford sur la feuille d'or a montré que les atomes possèdent un petit noyau dense et chargé positivement ; les particules chargées positivement à l'intérieur du noyau sont appelées protons. Chadwick a découvert que le noyau contient également des particules neutres appelées neutrons. Soddy a démontré que les atomes d'un même élément peuvent avoir des masses différentes ; on les appelle isotopes.

    Notes

    1. Ernest Rutherford, « Le développement de la théorie de la structure atomique », éd. J. A. Ratcliffe, dans Background to Modern Science, éd. Joseph Needham et Walter Pagel, (Cambridge, Royaume-Uni : Cambridge University Press, 1938), p. 61—74. Consulté le 22 septembre 2014 à l'adresse https://ia600508.us.archive.org/3/it...e032734mbp.pdf.

    Lexique

    particule alpha (particule α)
    particule chargée positivement composée de deux protons et de deux neutrons
    électron
    particule subatomique chargée négativement de masse relativement faible située à l'extérieur du noyau
    isotopes
    atomes contenant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons
    neutron
    particule subatomique non chargée située dans le noyau
    proton
    particule subatomique chargée positivement située dans le noyau
    noyau
    centre massif chargé positivement d'un atome composé de protons et de neutrons