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Vidéo de la leçon : Le modèle atomique Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre à décrire les différences entre les modèles historiques de l’atome et les développements qui ont conduit d’un modèle à l’autre.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir de nombreux modèles atomiques qui ont été utilisés tout au long de l’histoire pour nous aider à comprendre la composition de la matière. Et nous apprendrons comment le modèle de l’atome a évolué au fil du temps, à mesure que de nouvelles preuves expérimentales ont émergé. L’idée que la matière soit composée de petites entités appelées atomes n’est pas nouvelle. La première théorie atomique a été proposée en 400 avant notre ère par les anciens philosophes grecs Leucippe et Démocrite. Ils ont suggéré que toute la matière est composée de minuscules particules indivisibles qu’ils ont appelées atomes, ce qui signifie incassable. Et les différentes propriétés de la matière reflètent le type d’atomes qui la composent.

Cependant, la théorie atomique de la matière n’a été acceptée dans la science traditionnelle qu’en 1808, lorsqu’un météorologue nommé John Dalton proposa le premier modèle atomique. Dalton essayait de comprendre les propriétés physiques des gaz en explorant des recherches récentes sur les lois de masse qui semblent être vraies pour toutes les formes de matière. Son modèle atomique, souvent appelé le modèle atomique de la sphère dure ou solide, était capable d’expliquer ces lois de masse avec beaucoup de succès. Son modèle atomique possède quatre suppositions de base.

La première est que toute la matière est constituée d’atomes qui ne peuvent être ni créés ni détruits. La seconde est que les atomes d’un élément ne peuvent pas être transformés en atomes d’un autre élément. Dans les réactions chimiques, les atomes ne changent pas d’un élément à l’autre. Les atomes de la substance d’origine se recombinent simplement pour former de nouvelles substances. En fait, cette supposition a depuis été prouvée comme étant fausse, à la suite des recherches sur la radioactivité, menées par Marie Sklodowska Curie, puisque dans les processus radioactifs, les atomes d’un élément peuvent se transformer en un autre.

La troisième indique que les atomes d’un élément sont identiques et sont différents des atomes de n’importe quel autre élément. Ainsi, tous les atomes d’hydrogène ont toujours la même masse et les mêmes propriétés, mais les atomes d’hydrogène et d’oxygène sont différents les uns des autres. Enfin, la dernière supposition est que les composés résultent de la combinaison chimique d’un rapport spécifique d’atomes de différents éléments. Par exemple, le composé eau, ou H2O, est toujours composée d’un rapport de deux pour un d’hydrogène et d’oxygène, car chaque unité de H2O est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène.

Les hypothèses fournies par Dalton dans son modèle atomique ne furent pas contestées jusqu’en 1987, grâce à des expériences réalisées par J. J. Thomson sur les tubes cathodiques. Un tube cathodique est un tube de verre avec des électrodes métalliques à l’extrémité. Lorsqu’un courant électrique est appliqué, il crée un rayon qui frappe l’extrémité du tube. Alors que J. J. Thomson étudie ces tubes cathodiques, il observe que le rayon se courbe dans un champ magnétique, ce qui indique que le rayon est constitué de particules chargées. Deuxièmement, il a observé que le rayon se courbe vers la plaque positive dans un champ électrique, ce qui indique que le rayon est constitué de particules chargées négativement. Enfin, il a observé que le rayon est identique pour toute cathode, de sorte que ces particules doivent être trouvées dans toute la matière.

Il a déterminé que ces particules chargées négativement, qu’il a appelées des électrons, étaient beaucoup plus légères que l’atome. Cela signifiait que l’atome ne pouvait pas être la plus petite unité de matière, donc le modèle atomique devait être révisé. Ainsi, Thomson a proposé un nouveau modèle de l’atome, mettant en vedette les électrons nouvellement découverts dans une mer de charge positive, comme les fruits secs dans un pudding aux prunes ou au pain, d’où le nom de modèle du « plum pudding » de l’atome.

Basés sur les recherches de J. J. Thomson, deux autres modèles atomiques ont été proposés. En 1902, Gilbert Lewis a suggéré que les électrons dans un atome étaient positionnés sur les coins d’un cube. Et en 1904, Han Tao Nagaoka a suggéré que les électrons tournaient autour d’un centre massif comme les anneaux autour de Saturne. Avec la découverte de cette nouvelle particule subatomique, l’électron, les scientifiques voulaient en savoir plus sur ses propriétés.

En 1909, Robert Millikan entreprit de déterminer la charge de cette nouvelle particule en regardant tomber de minuscules gouttelettes d’huile chargées dans une chambre spéciale. Il a pu déterminer la charge sur chaque goutte d’huile qui tombait. Il a remarqué que toutes les charges étaient des multiples de moins 1.6 fois 10 puissance moins 19 coulombs. Cela doit donc être la charge d’un seul électron. Étonnamment, la différence entre la charge de l’électron que Millikan a pu mesurer et la valeur mesurée aujourd’hui est inférieure à un pour cent.

Bien que le modèle atomique du « plum pudding » ait intégré avec succès l’électron, il a été rapidement prouvé comme étant faux par les résultats des expériences réalisées par Hans Geiger et Ernest Marsden sous la direction d’Ernest Rutherford. Geiger et Marsden ont projeté des particules alpha sur une feuille d’or très mince et ils ont mesuré la déviation des particules alpha grâce à un écran entourant la feuille, qui clignotait lorsqu’une particule alpha le touchait. Puisque les électrons sont incroyablement petits et que les particules alpha se déplaçaient très rapidement, ils s’attendaient à ce que toutes les particules alpha passent simplement à travers la feuille. Mais au lieu de cela, ils ont observé qu’une petite fraction des particules était déviée dans la direction dont elles provenaient.

Sur la base de ces résultats, en 1911, Rutherford a conclu que l’atome est principalement constitué d’espace vide occupé par les électrons, mais qu’il y a un petit noyau très dense et chargé positivement au centre de l’atome. Il a suggéré que le noyau de l’atome est composé de particules chargées positivement qu’il a appelées protons. Le modèle atomique qu’il a proposé en se basant sur ces conclusions est souvent appelé le modèle planétaire de l’atome puisque les électrons chargés négativement gravitent autour du noyau chargé positivement de l’atome, comme les planètes gravitent autour du Soleil dans notre système solaire. Les électrons de ce modèle ne sont pas confinés dans un plan. Ils peuvent se déplacer sur des orbites autour du noyau en trois dimensions.

Le modèle planétaire ou nucléaire de l’atome incluait le noyau nouvellement découvert, mais il y avait des problèmes immédiats avec ce modèle. Le problème le plus évident est que les objets chargés positivement sont toujours attirés par les objets chargés négativement. Alors, qu’est-ce qui gardait les électrons chargés négativement en orbite autour du noyau ? De plus, le modèle planétaire suggère que les électrons de l’atome libèrent de l’énergie dans un spectre continu, ce qui créerait un arc-en-ciel. Mais lorsque les scientifiques ont examiné le spectre produit par l’excitation d’atomes gazeux, ils ont observé une série de raies lumineuses de différentes couleurs séparées par des espaces noirs. Ce spectre de raies qui a été produit par ces atomes excités était unique pour chaque élément.

Pour expliquer cela, Niels Bohr a proposé un nouveau modèle pour l’atome en 1913, qui s’appelle souvent le modèle de l’atome des couches électroniques ou des orbitales. Ce modèle comporte des niveaux discrets d’énergie auxquels les électrons sont limités, qui correspondent à des orbites fixes autour du noyau. Quand un électron se déplace sur une orbite, l’énergie totale de l’atome ne change pas. Si l’atome gagne de l’énergie, l’électron sautera sur une orbite de plus haute énergie, plus loin du noyau. Si de l’énergie est alors perdue, l’électron retournera sur une orbite de plus basse énergie, plus près du noyau.

En utilisant ce modèle, nous avons pu comprendre que les raies distinctes trouvées dans les spectres de raies de l’hydrogène sont dues aux transitions entre les orbites d’énergie fixes dans l’atome d’hydrogène. Lorsque les électrons gagnent de l’énergie, ils sautent sur une orbite de plus haute énergie. Et ils libèrent de l’énergie quand ils retournent sur une orbite de plus basse énergie. Cette énergie libérée correspond à une couleur spécifique du spectre de raies, donc nous voyons des droites pour chacune des transitions possibles entre les orbites lorsque les électrons reviennent sur une orbite de plus basse énergie. Par exemple, la transition de la troisième orbite dans l’atome d’hydrogène à la deuxième libère de l’énergie qui a une longueur d’onde de 656 nanomètres, ce qui correspond à la couleur rouge. Et la transition de la quatrième orbite à la deuxième a une longueur d’onde de 486 nanomètres, qui est de couleur bleu clair.

Mais malgré son succès, ce modèle posait également un problème immédiat. Il était incapable d’expliquer le comportement des atomes qui avaient de nombreux électrons. En 1920, peu de temps après avoir proposé l’existence du proton, Rutherford suggéra qu’une autre particule subatomique existe dans le noyau de l’atome qui est neutre, et qu’il appela le neutron. Il soupçonnait cela en raison de recherches récentes sur les atomes du même élément qui ont des masses différentes, appelées isotopes. Mais ce n’est que dans les années 1930 que de nouvelles preuves expérimentales ont émergé, qui pouvaient prouver l’existence de la particule proposée par Rutherford.

En 1930, Walter Bothe et Herbert Becker ont observé que si vous bombardez du béryllium avec des particules alpha, une forme neutre de rayonnement non-ionisant était produite. Ils ne savaient pas trop ce que pourrait être ce rayonnement, mais ils pensaient que ce pourrait être des rayons gamma. En 1932, James Chadwick se rendit compte que ce rayonnement neutre qui était créé n’était pas des rayons gamma, mais plutôt une nouvelle particule qui avait la même masse que le proton, le neutron. Cela signifie que le noyau de l’atome est composé à la fois de protons chargés positivement et de neutrons neutres.

En 1924, Louis de Broglie essayait de comprendre pourquoi les électrons avaient des niveaux d’énergie fixes. Il eut l’idée que la matière avait peut-être des propriétés ondulatoires. Si les électrons avaient à la fois des orbites fixes et des propriétés ondulatoires, ils ne possèderaient que certaines énergies permises, similaires aux vibrations d’une corde de guitare fixée aux deux extrémités. Il se trouve que de Broglie avait raison. Les électrons et autres particules subatomiques ont, en fait, des propriétés ondulatoires. En 1926, Erwin Schrödinger a pu décrire les propriétés ondulatoires de la matière, qui ont fondé la branche de la physique appelée mécanique quantique.

Selon la mécanique quantique, l’électron n’est pas simplement une petite particule qui tourne autour du noyau. Plutôt, il est réparti autour du noyau sous toutes sortes de formes amusantes qui correspondent à l’énergie de l’électron. Nous appelons cette densité de charge négative un nuage électronique. Avec cela, nous sommes arrivés à la vision moderne de l’atome, un noyau qui est composé de protons chargés positivement et de neutrons neutres entourés d’un nuage électronique chargé négativement. Maintenant que nous avons examiné chacun des modèles atomiques, examinons quelques exemples de problèmes.

En quoi le modèle du « plum pudding » était-il différent du modèle atomique de la sphère dure ? (A) Le modèle du « plum pudding » présentait des électrons constituant les coins d’un cube. (B) Le modèle du « plum pudding » décrivait des électrons en orbite autour d’un noyau central. (C) Le modèle du « plum pudding » incluait des particules chargées négativement appelées électrons. (D) Le modèle du « plum pudding » incluait des particules chargées positivement appelées protons. Ou (E), le modèle du « plum pudding » présentait des électrons occupant différents niveaux d’énergie.

Le modèle atomique de la sphère dure était le premier modèle atomique. Il a été proposé par Dalton. Dans ce modèle, l’atome est la plus petite division de matière. Le modèle du « plum pudding » de l’atome est venu après. Il a été proposé par J. J. Thomson qui a découvert les électrons chargés négativement à l’intérieur des atomes. Ainsi, le modèle du « plum pudding » est différent du modèle atomique de la sphère dure car dans le modèle atomique de la sphère dure, l’atome est la plus petite division de matière. Mais dans le modèle du « plum pudding », il y a un électron chargé négativement qui est plus petit qu’un atome. Passons donc en revue nos choix de réponses pour voir lequel d’entre eux reflète cela.

Le choix de réponse (A) dit que le modèle du « plum pudding » présente des électrons constituant les coins d’un cube. Dans le modèle du « plum pudding », les électrons sont noyés dans une mer de charge positive. Ils ne constituent pas les coins d’un cube. Ceci est en fait une référence au modèle cubique de l’atome de Lewis. Ce n’est donc pas le bon choix de réponse. Le deuxième choix de réponse dit que le modèle du « plum pudding » décrit des électrons en orbite autour d’un noyau central. Le noyau de l’atome n’a été découvert qu’après la proposition du modèle du « plum pudding ». Ce choix de réponse est en fait une référence au modèle planétaire de l’atome de Rutherford. Ce n’est donc pas celui que nous recherchons.

Le choix de réponse suivant dit que le modèle du « plum pudding » incluait des particules chargées négativement appelées électrons. Ce choix de réponse semble être exactement ce que nous recherchons. Le modèle du « plum pudding » est différent du modèle de la sphère dure car il inclut ces électrons chargés négativement. Mais continuons et examinons nos autres choix de réponses afin de savoir pourquoi ils sont incorrects. Le quatrième choix de réponse dit que le modèle du « plum pudding » comprend des particules chargées positivement appelées protons. Ce choix de réponse est, encore une fois, une référence au modèle planétaire de l’atome de Rutherford, car il a suggéré le terme proton pour décrire les particules chargées positivement, qui composaient le noyau.

Notre dernier choix de réponse dit que le modèle du « plum pudding » présentait des électrons occupant différents niveaux d’énergie. Ce choix de réponse fait référence au modèle atomique de Bohr, où les électrons occupent des orbites d’énergie fixes autour du noyau. Donc, comme nous en avons discuté précédemment, le modèle du « plum pudding » est différent du modèle atomique de la sphère dure parce que le modèle du « plum pudding » comprenait des particules chargées négativement appelées électrons.

Allons voir un autre exemple.

Quel schéma représente le plus précisément le modèle nucléaire ou planétaire de l’atome de Rutherford ?

Le modèle planétaire ou nucléaire de Rutherford est basé sur les observations tirées de l’expérience de la feuille d’or. Dans le modèle planétaire, il y a un noyau chargé positivement au centre de l’atome. Et les électrons gravitent autour du noyau. Voyons donc lequel des schémas représente le mieux cette description de l’atome. Dans la figure (A), nous avons des électrons en orbite autour du noyau. Cela correspond certainement à ce que nous recherchons. Alors gardons ce schéma à l’esprit. Dans le choix de réponse (B), nous avons des particules chargées positivement dans une charge négative. Ce diagramme ne correspond certainement pas à ce que nous recherchons. En fait, cela ne correspond à aucun modèle de l’atome.

Dans le choix de réponse (C), nous avons des particules disposées sur les coins d’un cube. Ce schéma fait référence au modèle de l’atome cubique de Lewis. Dans le choix de réponse (D), nous avons des électrons en orbite autour d’un noyau central, et c’est ce que nous recherchons. Alors gardons également ce choix de réponse à l’esprit. Notre dernier choix de réponse a des particules chargées négativement intégrées dans une charge positive. Cela ne décrit certainement pas ce que nous recherchons, mais cela décrit le modèle du « plum pudding » de l’atome.

Nous avons donc réduit le choix de schémas possibles pour représenter le modèle planétaire ou nucléaire de l’atome au choix de réponse (A) et au choix de réponse (D). Mais qu’est-ce qui diffère entre ces deux schémas ? Les deux montrent des électrons en orbite autour d’un noyau central. Eh bien, les cercles du schéma (A) sont destinés à représenter des orbites fixes pour les électrons qui correspondent à des niveaux discrets d’énergie. Donc, ce schéma est en fait destiné à représenter le modèle atomique de Bohr, qui comporte des orbites fixes pour les électrons en raison des niveaux discrets d’énergie qu’ils occupent.

Donc, le choix de réponse (A) n’est pas ce que nous recherchons non plus. Ce qui nous laisse avec le choix de réponse (D), qui est le schéma correct pour représenter le modèle de l’atome planétaire ou nucléaire de Rutherford.

Alors, maintenant que nous avons découvert tous les différents modèles atomiques et travaillé sur quelques exemples de problèmes, concluons avec les points clés de cette vidéo. Le premier modèle atomique était le modèle de la sphère dure de Dalton, qui a établi l’atome comme étant la brique de construction de la matière. Le modèle du « plum pudding » de J. J. Thomson, qui comporte des charges négatives dans un nuage de charges positives, a permis d’ajouter l’électron. Le modèle de l’atome planétaire ou nucléaire de Rutherford a ajouté le noyau chargé positivement, qui a été découvert lors des expériences de la feuille d’or.

Le modèle des couches électroniques ou des orbitales de Bohr a ajouté des niveaux discrets d’énergie pour les électrons. James Chadwick a confirmé l’existence du neutron. Dans le modèle moderne de l’atome, un atome est composé d’un noyau constitué de protons chargés positivement et de neutrons neutres, qui est entouré d’un nuage électronique chargé négativement.

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