Depuis qu'il a été proposé pour la première fois par Démocrite au 5ème siècle avant notre ère, le modèle atomique a subi plusieurs raffinements au cours des derniers milliers d'années. Depuis ses humbles débuts en tant que solide inerte et indivisible qui interagit mécaniquement avec d'autres atomes, des recherches en cours et des méthodes améliorées ont conduit les scientifiques à conclure que les atomes sont en fait composés de particules encore plus petites qui interagissent les unes avec les autres électromagnétiquement.
C'était la base de la théorie atomique conçue par le physicien anglais J.J. Thompson à la fin du XIXe et au début du XXe siècle. Dans le cadre de la révolution qui se déroulait à l'époque, Thompson a proposé un modèle de l'atome composé de plus d'une unité fondamentale. Sur la base de son apparence, qui consistait en une « mer de charge positive uniforme » avec des électrons répartis partout, le modèle de Thompson a été surnommé le « modèle Plum Pudding ».
Bien que disparu selon les normes modernes, le modèle Plum Pudding représente une étape importante dans le développement de la théorie atomique. Non seulement il intégrait de nouvelles découvertes, telles que l'existence de l'électron, mais il introduisait également la notion d'atome en tant que masse non inerte et divisible. Désormais, les scientifiques comprendraient que les atomes étaient eux-mêmes composés d'unités de matière plus petites et que tous les atomes interagissaient les uns avec les autres par le biais de nombreuses forces différentes.
Théorie atomique au 19ème siècle:
Les premiers exemples connus de théorie atomique viennent de la Grèce antique et de l'Inde, où des philosophes tels que Démocrite ont postulé que toute matière était composée d'unités minuscules, indivisibles et indestructibles. Le terme « atome » a été inventé dans la Grèce antique et a donné naissance à l'école de pensée connue sous le nom d'« atomisme ». Cependant, cette théorie était plus un concept philosophique que scientifique.
Divers atomes et molécules tels que décrits dans A New System of Chemical Philosophy (1808) de John Dalton. Crédit : domaine public
Ce n'est qu'au XIXe siècle que la théorie des atomes s'est articulée en tant que matière scientifique, avec les premières expériences fondées sur des preuves. Par exemple, au début des années 1800, le scientifique anglais John Dalton a utilisé le concept de l'atome pour expliquer pourquoi les éléments chimiques réagissaient de certaines manières observables et prévisibles.
Dalton a commencé par se demander pourquoi les éléments réagissaient dans des rapports de petits nombres entiers et a conclu que ces réactions se produisaient en nombres entiers multiples d'unités discrètes - c'est-à-dire des atomes. Grâce à une série d'expériences impliquant des gaz, Dalton a continué à développer ce qu'on appelle La théorie atomique de Dalton . Cette théorie s'est étendue sur les lois de conversation de la masse et des proportions définies – formulées à la fin du XVIIIe siècle – et reste l'une des pierres angulaires de la physique et de la chimie modernes.
La théorie se résume à cinq prémisses : les éléments, dans leur état le plus pur, sont constitués de particules appelées atomes ; les atomes d'un élément spécifique sont tous les mêmes, jusqu'au tout dernier atome ; les atomes de différents éléments peuvent être distingués par leurs poids atomiques; les atomes d'éléments s'unissent pour former des composés chimiques ; les atomes ne peuvent être ni créés ni détruits par réaction chimique, seul le groupement change.
À la fin du XIXe siècle, les scientifiques ont également commencé à théoriser que l'atome était composé de plus d'une unité fondamentale. Cependant, la plupart des scientifiques ont aventuré que cette unité aurait la taille du plus petit atome connu – l'hydrogène. À la fin du XIXe siècle, la situation allait changer radicalement.
Vue latérale d'une sorte de tube de Crookes avec une croix debout. Crédit : Wikimedia Commons/D-Kuru
Les expériences de Thompson :
Sir Joseph John Thomson (alias J.J. Thompson) était un physicien anglais et professeur Cavendish de physique à l'Université de Cambridge à partir de 1884. Au cours des années 1880 et 1890, son travail a largement tourné autour du développement de modèles mathématiques pour les processus chimiques, la transformation de l'énergie en termes mathématiques et théoriques, et l'électromagnétisme.
Cependant, à la fin des années 1890, il a commencé à mener des expériences en utilisant un tube à rayons cathodiques connu sous le nom de Le tube de Crookes . Il s'agit d'un récipient en verre scellé avec deux électrodes séparées par un vide. Lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, des rayons cathodiques sont générés (qui prennent la forme d'une tache de gaz incandescente qui s'étend jusqu'à l'extrémité du tube).
Grâce à l'expérimentation, Thomson a observé que ces rayons pouvaient être déviés par des champs électriques et magnétiques. Il a conclu qu'au lieu d'être composés de lumière, ils étaient constitués de particules chargées négativement qu'il appelait « corpuscules ». En mesurant le rapport masse/charge de ces particules, il a découvert qu'elles étaient 1 000 fois plus petites et 1 800 fois plus légères que l'hydrogène.
Cela a effectivement réfuté l'idée que l'atome d'hydrogène était la plus petite unité de matière, et Thompson est allé plus loin en suggérant que les atomes étaient divisibles. Pour expliquer la charge globale de l'atome, composée à la fois de charges positives et négatives, Thompson a proposé un modèle dans lequel les corpuscules chargés négativement étaient répartis dans une mer uniforme de charge positive.
Une représentation de la structure atomique de l'atome d'hélium. Crédit : Creative Commons
Ces corpuscules seront plus tard nommés « électrons », sur la base de la particule théorique prédite par le physicien anglo-irlandais George Johnstone Stoney en 1874. gâteau aux prunes et raisins secs. Le concept a été présenté au monde dans l'édition de mars 1904 du magazine britannique Revue philosophique ,largement acclamé.
Problèmes avec le modèle de pudding aux prunes :
Malheureusement, des expériences ultérieures ont révélé un certain nombre de problèmes scientifiques avec le modèle. Pour commencer, il s'agissait de démontrer que l'atome possédait une charge de fond positive uniforme, ce qui fut connu sous le nom de « problème de Thomson ». Cinq ans plus tard, le modèle sera réfuté par Hans Geiger et Ernest Marsden, qui ont mené une série d'expériences utilisant des particules alpha et une feuille d'or.
Dans ce qui allait devenir le « expérience de feuille d'or ', ils ont mesuré le motif de diffusion des particules alpha avec un écran fluorescent. Si le modèle de Thomson était correct, les particules alpha traverseraient la structure atomique de la feuille sans entrave. Cependant, ils ont plutôt noté que, bien que la plupart d'entre eux tiraient directement, certains d'entre eux étaient dispersés dans différentes directions, certains remontant dans la direction de la source.
Geiger et Marsden ont conclu que les particules avaient rencontré une force électrostatique bien supérieure à celle permise par le modèle de Thomson. Étant donné que les particules alpha ne sont que des noyaux d'hélium (qui sont chargés positivement), cela impliquait que la charge positive dans l'atome n'était pas largement dispersée, mais concentrée dans un petit volume. De plus, le fait que les particules qui n'étaient pas déviées traversaient sans entrave signifiait que ces espaces positifs étaient séparés par de vastes gouffres d'espace vide.
Les résultats attendus de l'expérience Gieger-Marsden (à gauche) et les résultats réels (à droite). Crédit : Wikimedia Commons/Kurzon
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En 1911, le physicien Ernest Rutherford interpréta les expériences Geiger-Marsden et rejeta le modèle de l'atome de Thomson. Au lieu de cela, il a proposé un modèle où l'atome consistait principalement en un espace vide, avec toute sa charge positive concentrée en son centre dans un très petit volume, entouré d'un nuage d'électrons. Ceci est devenu connu sous le nom de Modèle Rutherford de l'atome.
Des expériences ultérieures par Antonius Van den Broek et Neils Bohr ont affiné davantage le modèle. Alors que Van den Broek a suggéré que le numéro atomique d'un élément est très similaire à sa charge nucléaire, ce dernier a proposé un modèle de l'atome semblable au système solaire, où un noyau contient le numéro atomique de charge positive et est entouré d'un nombre égal nombre d'électrons dans les couches orbitales (alias le Modèle Bohr ).
Bien qu'il soit discrédité dans cinq ans seulement, le « Plum Pudding Model » de Thomson s'avérera être une étape cruciale dans le développement du Modèle standard de la physique des particules. Son travail pour déterminer que les atomes étaient divisibles, ainsi que l'existence de forces électromagnétiques au sein de l'atome, se révéleraient également avoir une influence majeure sur le domaine de la physique quantique.
Nous avons écrit de nombreux articles intéressants sur le sujet de la théorie atomique ici à Universe Today. Par exemple, voici Combien y a-t-il d'atomes dans l'univers ? , Le modèle atomique de John Dalton , Quelles sont les parties de l'atome? , Le modèle atomique de Bohr ,
Pour plus d’informations, n’oubliez pas de consulter les pages Physic’s Worlds sur 100 ans de l'électron : de la découverte à l'application et Masses de protons et de neutrons calculées à partir des premiers principes
Astronomy Cast propose également quelques épisodes sur le sujet : Épisode 138 : Mécanique quantique , Épisode 139 : Niveaux d'énergie et spectres, Épisode 378 : Rutherford et les atomes et Épisode 392 : Le modèle standard – Introduction .