L'évolution du modèle de l'atome de l'Antiquité à nos jours - Maxicours

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L'évolution du modèle de l'atome de l'Antiquité à nos jours

Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité. Il aura fallu 25 siècles pour que le modèle de l'atome soit suffisamment satisfaisant et qu'il permette d'expliquer les réactions chimiques possibles et observables.
De l'Antiquité à nos jours, de grands physiciens et chimistes ont étudié le constituant universel de toute chose : l'atome.
1. L'antiquité
Pour Démocrite (460 - 370 av. J.-C.), la matière est constituée de minuscules et indivisibles particules appelées « atomes » qui pouvaient se lier par l'intermédiaire de « crochets » pour donner à un corps, un objet, son existence.

Mais pour Aristote (384 - 322 av. J.-C.), la matière peut être divisée et résulte de la combinaison de quatre éléments : l'eau, l'air, le feu et la terre.
A défaut de preuve expérimentale, les idées émises par Démocrite restent, à cette époque, purement philosophiques.

D'ailleurs l'alchimie, au Moyen-Age, se développe sans se préoccuper des conceptions atomistiques des grecs.

2. Le 19e siècle
Au cours de ce siècle, toutes les théories mises de côté sont exhumées et approfondies grâce aux progrès techniques qui permettent de plonger au coeur de la matière.

John Dalton (1766 - 1844), scientifique anglais, est le premier à poser les bases scientifiques de la théorie ébauchée par Démocrite. Elles sont au nombre de cinq :

  • Toute matière est constituée d'atomes.
  • Les atomes d'un « élément » sont identiques.
  • Les atomes d'éléments différents ont des masses différentes.
  • Un composé est un mélange spécifique d'atomes d'un ou de plusieurs éléments.
  • Lors d'une réaction chimique, les atomes ne sont ni créés ni détruits mais se réarrangent pour donner de nouveaux composés.

Pour visualiser ces concepts, il symbolise les différents atomes à l'aide de schémas :

J.J. Thomson (1871 - 1937) découvre que les rayons émis par une cathode métallique, quel qu'en soit le métal, dans un tube de Crookes (identique à celui des téléviseurs dans lequel le vide a été fait), sont constitués de particules chargées négativement qu'il appelle « électrons » : il en déduit que c'est un élément constitutif de l'atome.

Il imagine, en 1902, un modèle de l'atome :
une sphère électriquement neutre remplie d'une substance chargée positivement dans laquelle les électrons sont figés :

modèle de Thomson

3. Le modèle actuel de l'atome
E. Rutherford (1871 - 1937) démontre expérimentalement que la structure de l'atome d'hydrogène se compose d'un noyau très petit entouré d'électrons en mouvement.

Pour prouver l'existence du noyau, Rutherford bombarde une feuille d'or de 0,1 μm d'épaisseur avec un faisceau de particules α positives et observe que certaines rebondissent anormalement.

Rutherford conclue donc à l'existence de particules chargées positivement dans l'atome d'or qui repoussent les particules α. Ces particules sont confinées dans une petite partie de l'atome appelée « noyau ».

Le modèle du système solaire est alors adopté : le noyau central est associé au Soleil, et les électrons gravitant autour, aux planètes.

Modèle de Rutherford

Mais au 20e siècle, ce modèle couramment utilisé est déclaré faux avec l'avancée de la physique quantique.
N. Bohr, W. Pauli et E. Schrödinger établissent que le noyau est entouré d'un « nuage d'électrons » plus ou moins dense selon la probabilité de présence de ces derniers.

Mais pour l'étude de l'atome et de ses propriétés, il est plus aisé de conserver le principe d'un nuage électronique composé d'orbitales ou couches électroniques sur lesquelles gravitent les électrons.

modèle de Bohr

De nos jours les quarks qui constituent les nucléons sont encore à l'étude.

L'essentiel

La matière était, dans l'Antiquité, considérée comme le mélange des quatre éléments fondamentaux : l'air, l'eau, la terre et le feu, mais dès cette époque Démocrite propose l'existence d'« atomes » indivisibles à la base de toute chose.

Ces théories seront abandonnées jusqu'à ce que Dalton propose l'existence d'une série d'atomes expliquant les réactions chimiques.
Thomson met en évidence l'existence de charges négatives appelées « électrons » et Rutherford l'existence de charges positives, dans l'atome électriquement neutre.

Ainsi le modèle de l'atome a pu voir le jour au 19e siècle : l'atome est constitué d'un noyau central, chargé positivement, et d'électrons, chargés négativement, qui gravitent autour dans le nuage électronique.

Puis le nuage électronique, dont Pauli pensait qu'il était constitué d'orbitales sur lesquelles se répartissaient les électrons, a été redéfini par Schrödinger qui le décrivit comme un nuage aux densités différentes selon la proximité du noyau.

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