Avant la production des montres numériques, nous présentions des montres mécaniques. Si tu as déjà regardé à l'intérieur, tu verras qu'elle est remplie de nombreuses petites pièces différentes qui interagissent d'une manière particulière pour que la montre fonctionne.
Dans la montre, il y a de petites pièces, dont de petits aimants, et ces différentes pièces fonctionnent ensemble. L'une des fonctions de ces pièces est de créer un champ magnétique qui permet à la montre de fonctionner et aux aiguilles de continuer à bouger au fil du temps. Tu te demandes peut-être comment cela se rapporte au modèle atomique ?
- Nous allons d'abord explorer la structure de l'atome et l'hypothèse de John Dalton sur l'atome.
- Puis, nous essaierons le modèle atomique de Thomson.
- Nous essaierons ensuite de voir de quelle façon le noyau a été découvert en explorant le modèle atomique de Rutherford.
- Ensuite, nous essaierons de voir de quelle façon les électrons se situent à différents niveaux d'énergie en se référant au modèle de Bohr.
- Nous examinerons le modèle standard de l'atome et le modèle de Schrödinger.
- Enfin, nous verrons les modèles de l'atome.
Naissance de l'atome
Eh bien, comme une montre, un atome contient différentes parties qui forment un modèle complet, qui sont appelés protons, neutrons et électrons. Certaines de ces parties sont chargées positivement et d'autres négativement, et comme les pièces de la montre.
Les parties de l'atome travaillent ensemble pour former l'atome. Aujourd'hui, nous allons essayer d'explorer cette façon de découvrir l'atome, du 19ᵉ siècle au 20ᵉ siècle, et comment nous sommes arrivés au modèle final de l'atome que nous utilisons aujourd'hui.
Structure de l'atome
Les premières idées sur les atomes et les particules proviennent de la Grèce antique et portent le nom de son fondateur, le philosophe Démocrite d'Abder. Démocrite a eu l'idée initiale que tout était fait d'atomes. Il pensait que les atomes avaient tous la même apparence, qu'ils étaient solides, qu'ils ne pouvaient pas être détruits et qu'ils ne pouvaient pas être comprimés. Il pensait que ce qui déterminait la différence entre les différents atomes était leur taille, ce qui établirait les propriétés de la matière.
Le modèle atomique de Démocrite suppose que les atomes sont les plus petits éléments constitutifs indivisibles de la matière.
Le terme "atome" dérive du mot grec atomos, qui signifie quelque chose comme "indivisible".
Cependant, ce n'est que dans les années 1800 qu'ils ont commencé à explorer avec les scientifiques. C'est là que John Dalton est arrivé, en utilisant des processus expérimentaux, et a élaboré le modèle de l'atome.
Modèle atomique de John Dalton
Dalton a d'abord expliqué que les substances étaient constituées d'atomes, et que ces atomes étaient comme de petites sphères dures. Il affirme également que les éléments chimiques présentent tous des atomes différents les uns des autres, que les atomes ne peuvent être divisés et qu'ils sont les éléments constitutifs de la nature.
Le modèle atomique de Dalton suppose que la matière est constituée d'atomes. Ceux-ci ne peuvent pas être partagés plus avant. Cependant, il existe différents atomes : les éléments.
Un élément diffère d'un autre par la forme et la taille de ses atomes. Cependant, au sein d'un élément, tous les atomes sont égaux.
Dalton essaie ensuite d'expliquer brièvement le changement de structure dans les réactions chimiques. Il pense que les atomes ne se divisent pas au cours d'une réaction, mais qu'ils se réarrangent. Les idées de Dalton ont constitué une avancée majeure dans la compréhension de la chimie et des différentes réactions chimiques, et elles nous permettent d'explorer cette façon dont différents états de la matière peuvent réagir et se lier.
L'avancée majeure suivante a été réalisée par JJ Thomson, qui a produit un modèle similaire à celui du plum-pudding.
Modèle atomique de Thomson
Vers la fin des années 1800, JJ Thomson a réalisé une expérience. Dans cette expérience, il a étudié les faisceaux de particules, en appliquant des tensions élevées à des gaz à basse pression. Les résultats de ses expériences montrent qu'elles présentaient une charge négative, car elles étaient attirées par une charge positive. Il a déterminé qu'il s'agissait d'une minuscule particule chargée négativement, qui est l'électron.
Thomson pensait que les électrons étaient environ 2000 fois plus petits qu'un atome et qu'ils devaient présenter l'intérieur d'un atome. Cela signifie donc que les idées précédentes de Dalton, selon lesquelles les atomes ne pouvaient pas se diviser, n'étaient pas tout à fait correctes. À la place, Thomson a proposé ce qu'on appelle le modèle du plum-pudding.
Le modèle de Thomson de l'atome suppose qu'un atome peut être encore divisé. Il est constitué d'électrons (chargés négativement) retenus dans une quantité chargée positivement. Les électrons constituent la quasi-totalité de la masse de l'atome.
Fig.1- Modèle atomique de Thomson
En regardant l'image de droite, voyons ce que cela signifie. Comme tu peux le voir, il y a à l'intérieur de minuscules électrons chargés négativement, qui sont des morceaux de prune, et ceci dans un nuage qui était chargé positivement ou la partie gâteau du pudding. Avec cette théorie, il a également expliqué qu'un atome ne présentait pas de charge globale, ce qui signifie que la charge positive du nuage et les électrons négatifs s'annulaient mutuellement.
Thomson nous a donné les premières idées sur ce qu'est un électron et nous utilisons toujours ces idées dans la science moderne.
Modèle atomique de Rutherford
Une dizaine d'années plus tard, Ernest Rutherford et ses étudiants Geiger et Marsden nous ont permis de mieux comprendre le modèle atomique. Les deux scientifiques ont réalisé une expérience avec des particules radioactives. Ces particules radioactives, également appelées particules alpha, étaient des particules denses chargées positivement. Ils ont tiré les particules sur un mince morceau de feuille d'or. Ils ont supposé que les particules allaient essayer de traverser la feuille d'or, car s'il y avait un nuage chargé positivement, comme expliqué dans le modèle du plum-pudding, c'est ce qui devrait se produire. Cependant, ce n'était pas le cas et cela nous a conduits à la découverte du noyau.
Le modèle atomique de Rutherford suppose que les atomes proviennent d'un noyau atomique petit et massif. Les électrons se déplacent autour de lui dans un noyau atomique à grande couche.
Lors de l'expérience, au lieu que les faisceaux essaient de traverser la feuille en ligne droite, certains d'entre eux ont changé de direction. Certains ont dévié à un grand angle, d'autres sont revenus à la source du faisceau et d'autres encore ont essayé de traverser la feuille. Grâce aux résultats de cette expérience, les scientifiques ont déterminé qu'il n'y avait pas de nuage positif, mais plutôt un point concentré au centre qui était positif et des électrons en orbite autour de ce centre. Le centre était désormais appelé noyau et contenait des particules positives denses appelées protons.
Autour du noyau, les électrons négatifs gravitent autour du noyau. Ce modèle nous a présenté de nombreuses informations sur la structure du modèle, mais nous ne l'avons pas encore terminé.
Modèle de Bohr
Le développement important suivant a eu lieu en \( 1914 \) avec le scientifique Niels Bohr. Bohr a fait progresser notre modèle, notamment en ce qui concerne la place des électrons dans un atome. Il a remarqué que de la lumière était émise lorsque les atomes étaient chauffés, et que cette lumière présentait une quantité d'énergie spécifique. À partir de là, Bohr a déterminé que les électrons tournaient autour du noyau, mais à certaines distances, à certains niveaux d'énergie, ou couches d'énergie, et que lorsqu'un électron passe d'un niveau d'énergie élevé à un niveau d'énergie faible, il libère de l'énergie. Cela correspondait à la quantité d'énergie qu'il enregistrait en analysant les atomes.
Fig.2- Modèle de Bohr
Le modèle atomique de Bohr suppose certains niveaux d'énergie (orbites/couches) dans l'atome sur lesquels les électrons peuvent circuler sans perdre d'énergie. Lors du passage d'une orbite à l'autre, seules les énergies correspondant à la différence d'énergie entre les orbites peuvent être absorbées ou émises.
En comparant ce modèle, que tu peux voir sur la gauche, à notre modèle précédent, tu remarqueras que les électrons sont dans des niveaux d'énergie spécifiques et qu'ils orbitent autour du noyau, au lieu d'être sur un seul niveau et d'essayer dans différentes directions.
Bohr nous a permis d'explorer davantage cette façon dont les réactions chimiques se produisent.
Modèle standard
La dernière partie du modèle atomique qui a été découverte était les neutrons. En général, les scientifiques avaient émis l'hypothèse que le noyau ne présentait pas que des protons. En effet, si l'on considère la masse de l'atome et que l'on enlève la masse des électrons et des protons, il manque encore quelque chose. En \( 1932 \) , le scientifique James Chadwick a réalisé une expérience au cours de laquelle il a découvert le neutron, une particule sans charge, mais présentant la même masse qu'un proton.
Cette découverte a été faite, car il était déjà établi que les électrons étaient négatifs et les protons positifs et qu'ils s'annulaient mutuellement de sorte qu'aucune autre particule ne pouvait porter de charge. En outre, ils ont déterminé qu'un neutron et un proton présentaient la même masse et qu'elle était égale au poids total de la masse d'un atome. Comme les neutrons ne sont pas chargés, il s'agissait d'une découverte particulièrement difficile, car elle était très difficile à détecter.
En \( 1926 \) , nous avons présenté une explication supplémentaire du modèle atomique, appelée description de la mécanique quantique. L'idée vient du scientifique Schrödinger, qui pensait que les électrons présentaient des propriétés ondulatoires. Cette idée a ensuite été utilisée pour décrire ce que nous appelons les orbitales atomiques, qui ont des formes et des niveaux d'énergie différents. Il a également conclu qu'il serait impossible de connaître la position exacte d'un électron ainsi que son élan.
Modèle de Schrödinger
De grandes avancées en mécanique quantique ont été réalisées grâce aux travaux de Schrödinger, Heisenberg et Born. Leurs connaissances ont permis de jeter les bases d'une nouvelle théorie atomique. L'ancien modèle de Bohr, avec ses couches sphériques, devait être élargi. C'est de cette façon que l'on est passé des couches de l'atome aux orbitales atomiques.
Les orbitales atomiques comme modèle atomique
Au cours de la mécanique quantique, la structure atomique a été décrite pour la première fois à l'aide de modèles mathématiques qui ne pouvaient plus être visualisés graphiquement de manière aussi simple. Ils ont résolu le problème suivant : les couches sphériques de Bohr ne pouvaient être expliquées en mécanique quantique par le mouvement des électrons.
La théorie orbitale suppose que les électrons se trouvent dans des espaces de probabilité. Dans le modèle orbital, la localisation exacte des électrons ne peut être déterminée qu'avec difficulté. Au lieu d'une localisation exacte, on peut seulement déterminer l'espace dans lequel l'électron doit se trouver avec une probabilité de présence.
Le modèle orbital est un modèle mathématique qui décrit les probabilités d'un électron dans un atome.
En fonction du nombre d'électrons dans l'atome, les orbitales sont décrites par d'autres fonctions mathématiques.
Ainsi, les concepts d'orbitales atomiques sont très complexes. En chimie, le modèle de Bohr est donc souvent utilisé, car il est plus simple et suffisant pour la plupart des applications.
En revanche, en mécanique quantique, on doit se contenter du modèle le plus complexe, puisque le modèle de Bohr ne peut pas expliquer les effets de la mécanique quantique.
Modèle du nuage sphérique
Le modèle du nuage sphérique est la version simplifiée du modèle orbital, principalement utilisée dans les écoles.
Le modèle du nuage sphérique est la version simplifiée du modèle orbital. Les espaces de résidence sont décrits comme des nuages d'électrons sphériques. Ici, les espaces complexes sont transformés en formes imaginables.
Dans les liaisons chimiques, deux de ces nuages, chacun précédemment rempli d'un seul électron, se chevauchent maintenant.
En se chevauchant, les deux atomes atteignent l'état souhaité avec un nuage complètement rempli. Ils partagent donc les électrons : deux électrons individuels deviennent deux électrons communs.
Ce modèle de nuage sphérique reprend les fonctions les plus importantes du modèle orbital, mais simplifie la disposition spatiale complexe. La plupart des phénomènes peuvent être expliqués avec ce modèle, car il combine les propriétés les plus pertinentes des autres modèles. Pour les relations plus complexes et les sujets de recherche actuels, notamment en mécanique quantique, mais le modèle orbital est essentiel.
Modèles de l'atome
Globalement, si l'on considère les quatre découvertes, chacune a joué un rôle impératif dans le modèle d'atome que nous utilisons à l'heure actuelle.
| Modèle atomique | Cours et découvreur/principal protagoniste | Affirmation fondamentale / innovation la plus importante |
| Modèle atomique selon Démocrite | \( 5^e \) siècle avant J.-C. Démocrite d'Abdera | L'atome est le plus petit bloc de construction qui ne peut être divisé davantage. |
| Modèle atomique selon Dalton | \( 1808 \) John Dalton | Les atomes sont un nombre limité de particules : les éléments. |
| Modèle atomique selon Thomson | \( 1903 \) J.J. Thomson | Les atomes peuvent être encore divisés : en une quantité de charge positive et de petites particules négatives (électrons). |
| Modèle atomique selon Rutherford | \( 1909-1911 \) Ernest Rutherford | Un atome est constitué d'un noyau atomique très petit et d'une couche atomique. |
| Modèle atomique selon Bohr | \( 1913 \) Niels Bohr | Les électrons ne peuvent tourner autour du noyau que sur certaines orbites. |
| modèle orbital | \( 1928 \) Erwin Schrodinger | Modèle mathématique des probabilités des électrons dans l'atome. |
| modèle des nuages sphériques | \( 1956 \) George Elbert Kimbali | Une simplification du modèle orbital avec des espaces de probabilité sphériques. |
L'ensemble de ces travaux a donné naissance à ce que nous appelons le modèle atomique.
Modèle de l'atome - Points clés
- Les premières idées sur la structure de l'atome proviennent de la Grèce antique et portent le nom de son fondateur, le philosophe Démocrite d'Abder.
- John Dalton a déterminé que toutes les molécules étaient constituées d'atomes, qui ne pouvaient pas être divisés.
- JJ Thomson a découvert que les atomes présentaient de petites particules chargées négativement, appelées électrons.
- Le modèle atomique de Rutherford suppose que les atomes proviennent d'un noyau atomique petit et massif. Les électrons se déplacent autour de lui dans un noyau atomique à grande couche.
- Niels Bohr a découvert que les électrons se situaient dans des niveaux d'énergie ou des couches qui émettaient des quantités spécifiques d'énergie s'ils étaient excités et sautaient entre les niveaux d'énergie.
- D'après le modèle standard, James Chadwick a découvert le neutron, qui se trouve dans le noyau et ne présente aucune charge.
- Le modèle orbital est un modèle mathématique qui décrit les probabilités d'un électron dans un atome.
- Le modèle du nuage sphérique est la version simplifiée du modèle orbital. Les espaces de résidence sont décrits comme des nuages d'électrons sphériques. Ici, les espaces complexes sont transformés en formes imaginables.
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