La découverte de l’atome

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1 La découverte de l’atome
Une question de division et d’échelle l'idée atomique sur les bords de la mer Egée, 450 avant JC philosophe grec Leucippe et de son disciple Démocrite : toute matière composée de particules infimes et invisibles à l'œil nu. Démocrite appela atomos, qui signifie "qu'on ne peut pas couper ", les morceaux ultimes de la matière.

2 La découverte de l’atome
Une question de proportions 1808 un chimiste anglais, Joseph Dalton, démontre que deux gaz quelconques se combinent toujours dans des proportions de poids simples. Ainsi 1 g de dihydrogène réagit avec 8 g de dioxygène pour former 9 g d'eau. Selon Dalton, la matière est constituée des petites particules indivisibles imaginées par les Grecs : À chaque élément chimique correspond un et un seul type d'atomes avec un poids bien défini. Les gaz réagissent selon des rapports de poids simples, affirme Dalton, parce que les atomes dont ils sont constitués se mélangent selon des proportions simples et entières comme des billes. Un an plus tard, un chimiste français, cette fois, Louis Joseph Gay Lussac, renforce l'interprétation de Dalton en découvrant que les gaz se combinent aussi selon des volumes simples: ainsi 1 L de dioxygène réagira toujours avec 2 L de dihydrogène. Et si les anciens Grecs avaient deviné juste ?

3 La découverte de l’atome
Grace aux liaisons életriques 1832 : En admettant que la matière soit composée de ces insaisissables atomes, par quelle étrange alchimie parviennent-ils à se lier pour former de nouveaux composés ? En 1832, un physicien britannique, Michael Faraday fait passer un courant électrique dans une cuve remplie d'eau, et constate que du dihydrogène se dégage à l'électrode négative, et du dioxygène à l'électrode positive. En mesurant la quantité de gaz produits, il se rend compte qu'elle dépend directement de la quantité d'électricité qui a circulé dans la cuve; le courant électrique coupe apparemment l'eau en ses 2 éléments chimiques de base (cela s'appelle une électrolyse). Faraday ne voit qu'une explication au phénomène: I'électricité doit être, d'une manière ou d'une autre, la force qui lie les atomes entre eux.

4 La découverte de l’atome
L'électron identifié 1897 : Julius Plucker, physicien allemand, observe un phénomène très curieux en 1858: au passage d'un courant électrique, une étrange lueur verte brille sur les parois d'un tube de verre soumis au vide ! Jean Perrin, en 1895, met en évidence des charges négatives dans ce rayonnement. S'agit-il d'un faisceau de particules inconnues ou bien d'une onde lumineuse ?                             En 1897, Joseph Thomson montre que ce "pinceau de lumière" est dévié lorsqu'il passe entre deux plaques métalliques chargées : il ne s'agit donc pas d'une onde (qui ne peut être déviée) mais bien de particules négatives, dont il parvient même à calculer la masse infime (9,1 x kg). Thomson baptise "électrons" ces vecteurs d'électricité et propose un premier modèle de l'atome.

5 La découverte de l’atome
Des atomes à la casse En 1896, un physicien français, Henri Becquerel, se rend compte par hasard que les sels d'uranium impressionnent une plaque photographique. Deux ans plus tard, Pierre et Marie Curie découvrent que deux autres éléments chimiques, le radium et le polonium,  produisent un rayonnement encore plus intense que l'uranium. Mais ce n'est qu'en 1903 qu'un physicien et un chimiste britanniques, Ernest Rutherford et Frederick Soddy, comprennent que la "radioactivité", provient de la transformation d'un atome en un autre.Les atomes peuvent donc se casser ! voilà qu'on décelait des particules -les électrons fois plus légères qu'un atome d'hydrogène .

6 La découverte de l’atome
Un système solaire miniature 1913 : L'uranium crachait, non seulement des électrons, mais aussi des particules positives beaucoup plus massives, qui se révèleront plus tard être des protons. Dès lors, on pouvait supposer que l'atome, électriquement neutre, était un assemblage de ces deux types de particules. Restait à comprendre leur agencement exact. De 1906 à 1908, deux élèves de Rutherford bombardent avec des protons de fines feuilles d'or. Quelques particules, cependant, ont été déviées dans leur course, comme repoussées par un objet de même charge. La majeure partie de la masse de l'atome, estime Rutherford, doit être concentrée dans un petit noyau positif. Ces résultats conduiront Rutherford à proposer, en 1910, un modèle atomique comparable au système solaire: autour d'un noyau soleil constitué de protons gravitent des " électrons planètes" chargés négativement. Ce modèle fut perfectionné par Niels Bohr, un physicien danois, en 1913, qui proposa que les électrons ne pouvait occuper que des orbites bien précises.

7 La découverte de l’atome
Un système solaire miniature Le modèle de Rutherford de l'atome                                                                                                                                                  Appelé aussi modèle planétaire car le noyau positif représente le soleil et les électrons décrivent des orbites autour du noyau comme les planètes autour du soleil.

8 La découverte de l’atome
Un système solaire miniature Le modèle de Bohr de l'atome                                                                                                                                                  Semblable au modèle de Rutherford, le modèle de Bohr est complété par le fait que les électrons ne peuvent décrire que des orbites bien déterminées

9 La découverte de l’atome
Un système solaire miniature Le modèle quantique de l'atome                                                                                                                                                  Le noyau composé de particules chargées positivement (les protons) et de particules électriquement neutres (les neutrons découverts en 1932) "baigne" dans un nuage d'électrons.

10 La découverte de l’atome
L’atome un assemblage de protons et de neutrons 1925 : Pendant les Années Folles, une nouvelle théorie-la mécanique quantique-soutient que les électrons ne sont en fait ni des billes ni des planètes, mais des sortes de nuages ! En 1932, la composition de l'atome sera définitivement établie. Le noyau apparaît comme un assemblage de "grains de matière" positifs et neutres, appelés respectivement " protons" et "neutrons", le tout baignant dans un nuage électronique. Les atomes peuvent être représentés par une sorte de sphère dont le rayon ne dépasserait pas m. Au centre de cette sphère, on retrouve alors un noyau dont le rayon atteint m. Dans cette zone très dense de l'atome, se retrouvent agglutinées des protons (de charge positive) et des neutrons (de charge nulle). Telles des planètes gravitant autour du Soleil, les électrons (de charge négative) tournent autour du noyau.

11 Eléments constitutifs de l’atome
Un atome contient un noyau situé en son centre et des électrons qui "tournent" autour du noyau. Le noyau contient des nucléons, c'est à dire des protons et des neutrons.

12 Eléments constitutifs de l’atome
Les électrons ont une charge électrique négative. Les protons ont une charge électrique positive, de même valeur que celle de l'électron. Les neutrons n'ont pas de charge électrique, ils sont neutres. Il y a exactement le même nombre d'électrons et de protons dans un atome, un atome est donc électriquement neutre. Le nombre d'électrons (ou de protons) dans un atome détermine ses propriétés physiques et chimiques, c'est le nombre atomique. Par exemple, un atome d'hydrogène a 1 électron et 1 proton, le nombre atomique d'un atome de carbone est 6, celui d'un atome d'oxygène 8, d'un atome de fer 26, d'un atome d'uranium 92, etc (voir la table des éléments)...

13 Eléments constitutifs de l’atome
Les électrons ont une charge électrique négative. Les protons ont une charge électrique positive, de même valeur que celle de l'électron. Les neutrons n'ont pas de charge électrique, ils sont neutres. Il y a exactement le même nombre d'électrons et de protons dans un atome, un atome est donc électriquement neutre. Le nombre d'électrons (ou de protons) dans un atome détermine ses propriétés physiques et chimiques, c'est le nombre atomique. Par exemple, un atome d'hydrogène a 1 électron et 1 proton, le nombre atomique d'un atome de carbone est 6, celui d'un atome d'oxygène 8, d'un atome de fer 26, d'un atome d'uranium 92, etc (voir la table des éléments)...

14 Quelle est la taille d'un atome ?
Un atome a une taille de l'ordre de 10-10m, soit un dixième de millionième de millimètre ! Un noyau d'atome a une taille de l'ordre de 10-15m, soit cent mille fois plus petit que l'atome lui-même ! Un électron est théoriquement une particule ponctuelle, elle ne doit donc pas avoir de taille... En tout cas, si l'électron a une taille, elle est inférieure à 10-18m, soit au moins cent millions de fois plus petit que l'atome ! Un atome est donc très petit: il y a onze milliards de milliards d'atomes de fer dans un milligramme de fer !

15 Quelle est la taille d'un atome ?
Les protons et les neutrons sont des nucléons. La masse d'un nucléon est de 1, kg, soit moins de deux millièmes de milliardième de milliardième de milligramme. La masse d'un électron est de 9, kg, soit 1836 fois moins qu'un nucléon ! Ainsi, 99,97% de la masse d'un atome est dans son noyau ! Comme le noyau est très petit, la masse d'un atome est donc très concentrée. Ainsi, si on supprimait le vide qu'il y a autour des noyaux des atomes, la Terre pourrait tenir dans une sphère de seulement 180m de rayon !!

16 Qu'est-ce qu'un ion ? Un ion est un atome ou une molécule dont on a enlevé ou ajouté un ou plusieurs électrons. Ainsi, un atome ou une molécule étant toujours électriquement neutre, un ion est soit positif soit négatif. Un ion a donc des propriétés physico-chimiques différentes de la molécule dont il provient. Un ion positif est appelé un cation et un ion négatif est appelé un anion. L'ionisation de la matière consiste à arracher des électrons aux atomes. La grande majorité des systèmes de détection des particules est basée sur l'ionisation.