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Lequel des énoncés suivants n’est-il pas une des limites du modèle de Bohr de l’atome ? (A) Les électrons se déplacent autour du noyau en suivant des orbites planes circulaires. (B) Les électrons ne sont considérés que comme des particules et non comme des ondes. (C) Il est possible de déterminer précisément et simultanément la position et la quantité de mouvement d’un électron. (D) Les électrons dans les atomes ne peuvent occuper que des niveaux d’énergie quantifiés. Ou (E), il explique le spectre de raies d’émission de l’atome d’hydrogène uniquement.
Niels Bohr et Ernest Rutherford ont proposé le modèle de Rutherford–Bohr, souvent simplement appelé modèle de Bohr, où les électrons occupent des orbites autour du noyau de façon semblable aux planètes qui tournent autour du soleil. À une époque, le modèle de Bohr de l’atome était la meilleure description possible d’un atome. Mais les découvertes ultérieures en physique et la formulation de la mécanique quantique ont mis en évidence les lacunes de ce modèle. Le modèle de Bohr a donc certaines limites. Nous devons déterminer laquelle parmi les réponses (A) à (E) n’est pas l’une des limites du modèle de Bohr.
La réponse (A) est : « Les électrons se déplacent autour du noyau en suivant des orbites planes et circulaires ». Nous en avons déjà parlé. Le modèle de Bohr a suggéré que c’était vrai. Le modèle de Bohr traite les électrons comme des particules, mais de Broglie a démontré que les électrons présentent une dualité particule-onde. La dualité particule-onde est quand des objets physiques peuvent présenter des propriétés semblables à la fois à des ondes et à des particules. Le degré auquel ils présentent ce comportement dépend de leur nature et de leur vitesse de déplacement.
De plus, le modèle mécanique des ondes de Schrödinger décrit les électrons comme ayant une gamme de positions possibles. À tout moment, un électron peut être proche ou éloigné du noyau. Comme le modèle de Bohr considère uniquement les électrons comme des particules et non comme des ondes et qu’il suggère qu’ils se déplacent autour du noyau sur des orbites planes circulaires, le modèle ne tient pas compte de ces observations actuellement admises. Par conséquent, l’option (A) est une des limites du modèle de Bohr. Ce n’est donc pas la réponse à cette question.
La réponse (B) est : « Les électrons ne sont considérés que comme des particules et non comme des ondes ». Nous avons déjà mentionné que le modèle de Bohr considère uniquement les électrons comme des particules. Mais en fait, elles présentent une dualité particule-onde et peuvent donc présenter des propriétés ondulatoires. Pour cette raison, la réponse (B) est une des limites du modèle de Bohr et n’est pas non plus la réponse à cette question.
La réponse (C) indique qu’il est possible de déterminer simultanément et précisément la position et la quantité de mouvement d’un électron. Le modèle de Bohr traite les électrons uniquement comme des particules qui suivent une orbite de manière prévisible, de telle manière que l’on serait en mesure de déterminer la position et la quantité de mouvement d’un électron simultanément.
Cependant, le principe d’incertitude de Heisenberg stipule que plus la position d’une particule dans l’espace est déterminée avec précision, plus la mesure de sa quantité de mouvement est incertaine, et vice versa. Ainsi, plus la quantité de mouvement d’une particule est déterminée avec précision, plus la mesure de sa position sera incertaine. Comme le modèle de Bohr ne tient pas compte du principe d’incertitude de Heisenberg, la réponse (C) est une des limites du modèle de Bohr, elle n’est donc pas la réponse à cette question.
La réponse (D) est : « Les électrons dans les atomes ne peuvent occuper que des niveaux d’énergie quantifiés. » En physique classique, tous les types d’énergie sont considérés comme continus. Les énergies peuvent prendre n’importe quelle valeur. Mais la théorie quantique a introduit l’idée que certains types d’énergie peuvent être décrits comme des paquets discrets appelés quanta. On dit que cette énergie est quantifiée.
Le modèle de Bohr de l’atome introduit l’idée que les électrons occupent des orbitales d’énergies fixes. Le modèle de Bohr suggère donc que les électrons dans les atomes ne peuvent occuper que des niveaux d’énergie quantifiés. Cela est conforme à ce qui est actuellement accepté dans le modèle quantique. La notion d’électrons occupant des niveaux d’énergie quantifiés fait toujours partie de la théorie atomique moderne. Ainsi, la réponse (D) n’est pas une des limites du modèle de Bohr et est probablement la réponse à cette question.
Mais pour confirmer, examinons la réponse (E). Il explique le spectre de raies d’émission de l’atome d’hydrogène uniquement. Le modèle de Bohr tient compte du fait que lorsque des atomes ou des ions sont excités, un électron est promu vers une orbitale supérieure. Lorsque l’électron retombe dans son orbitale initiale, de la lumière est émise. La lumière produite a des longueurs d’ondes spécifiques et crée un motif de raies dans un spectre de raies d’émission. Chaque atome présente un spectre de raies d’émission distinct. Pour l’hydrogène atomique, le modèle de Bohr était très précis. Mais pour les atomes avec plus d’un électron, le modèle de Bohr n’a pas su reproduire les résultats expérimentaux.
Le fait que le modèle de Bohr explique uniquement le spectre de raies d’émission de l’atome d’hydrogène est une des limites du modèle de Bohr. Donc, la réponse (E) n’est pas la réponse à cette question.
Par conséquent, la réponse à la question « Lequel des énoncés suivants n’est-il pas une des limites du modèle de Bohr de l’atome ? » est la réponse (D). Les électrons dans les atomes ne peuvent occuper que des niveaux d’énergie quantifiés.