Les modèles atomiques

Modèles de la matière de l’antiquité grecque : Les visions de Démocrite et Aristote La matière est discontinue Les particules sont infiniment petites et indivisibles Il y a donc « du vide » dans la matière Il introduit de la notion d’atome (« atomos » veut dire « indivisible ») Aristote … La matière est continue La matière est divisible à l’infini

Les philosophes grecs Démocrite (460-370 av. J. -C Les philosophes grecs Démocrite (460-370 av. J.-C.) et Aristote (384-322 av. J.-C.)

Modèle de dalton (1808) (le « père » de la théorie atomique) Les atomes sont des sphères pleines, uniformes et indivisibles 1. La matière est constituée de particules indivisible qu’on appelle « atomes » 2. Tous les atomes d’un même élément sont identiques 3. Les atomes d’éléments distincts sont différents 4. Lors de réactions chimiques, les atomes réarrangent leurs liens pour créer de nouvelles substances

Le savant anglais John Dalton (1766-1844)

Le modèle de thomson (1897) (le modèle « plum-pudding ») Voici les observations de Thomson en lien avec les rayons cathodiques Ces rayons… sont déviés par un champ magnétique alors que la lumière ne l’est pas dévient vers la borne positive d’un champ électrique, ce que ne fait pas la lumière peuvent mettre en mouvement un moulinet (inséré à l’intérieur du tube), ce que la lumière ne fait pas Thomson conclut que le rayon cathodique est constitué de « matière » et que cette matière est chargée négativement

Comportement des rayons cathodiques

Modèle de Thomson Ses recherches sur les rayons cathodiques l’amènent à découvrir l’électron, une particule subatomique chargée négativement Il propose un modèle … L’atome est une sphère pleine de charge positive Les électrons, particules de charge négative, sont uniformément répartis dans cette sphère La nature positive de la sphère est électriquement équilibrée par la charge négative des électrons, ce qui contribue à rendre l’atome « électriquement neutre »

Le scientifique anglais Joseph john thomson (1856-1940) http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations- flash/physique-chimie/decouverte-de-l-electron vidéo sur le tube à rayons cathodiques et Thomson

La principale contribution de Thomson à l’évolution du modèle atomique fut de démontrer l’existence de particules négatives dans la matière, prouvant ainsi que l’atome ne pouvait plus être considéré comme une particule indivisible

Le modèle « pain aux raisins » (plum pudding) de thomson

https://www.youtube.com/watch?v=MXumJF JzR8E chambre de Wilson 3min 03 http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations- flash/physique-chimie/decouverte-de-la-radioactivite la radioactivité https://www.youtube.com/watch?v=lkHIZZZJ -pM chambre de Wilson 2 min 38 https://www.youtube.com/watch?v=VFVZU2 YwwJ4 chambre de Wilson 1min 01 amazing!! https://www.youtube.com/watch?v=MXumJF JzR8E chambre de Wilson 3min 03 http://www.youtube.com/watch?v=pewTySxf TQk how to make a cloud chamber 5min 7s

La radioactivité À cette époque, on savait déjà que les substances radioactives pouvaient émettre 3 types de rayonnements Les rayons « alpha » : des particules positives (des noyaux d’hélium He2+) Les rayons « bêta » : des particules négatives (des électrons) Les rayons « gamma » : une onde électromagnétique de haute énergie (sans charge)

Expérience de la feuille d’or de Rutherford Son but : obtenir des renseignements sur la position des électrons dans l’atome Son expérience… Il enferme une substance radioactive dans un bloc de plomb et permet aux particules alpha de quitter par une mince fente Il place une mince feuille d’or (estimation : environ 160 atomes d’épaisseur) devant ce bloc, la bombardant ainsi de particules alpha Il place un écran circulaire enduit d’une substance fluorescente autour de la feuille et enregistre les points d’impact (émission de lumière lors d’un impact)

Son montage

Les résultats attendus Voici ce qu’il pensait obtenir comme observations… La plupart des particules vont traverser facilement, sans être stoppées Quelques particules seront déviées en frôlant un électron

Les résultats OBTENUS Surprise! Quelques particules, pas beaucoup (1 sur 100 000), ont carrément rebondi vers l’arrière Rutherford conclut que ce qui repousse la particule alpha est une particule positive très petite mais très massive La majorité des particules traversent sans déviation Rutherford pense qu’il y a beaucoup de « vide » (grand espace sans matière) dans un atome

Le modèle atomique de Rutherford (1911) 1. L’atome est essentiellement constitué de « vide » 2. Le noyau de l’atome, très petit en comparaison de sa propre taille, est chargé positivement et représente l’endroit où se concentre la quasi-totalité de la matière 3. Les électrons se déplacent au hasard autour du noyau dans un espace beaucoup plus vaste que celui qu’occupe ce dernier

Modèle de rutherford Électrons qui circulent dans un vaste espace autour d’un noyau positif minuscule et très compact

Le scientifique néo-zélandais ernest rutherford (1871-1937)

La contribution de niels bohr Les électrons se déplacent sur des orbites électroniques précises (les couches électroniques) Chaque orbite électronique correspond à un niveau d’énergie précis Plus on s’éloigne du noyau, plus le niveau énergétique des orbites augmente

Niels bohr (1883-1962)

Le modèle atomique rutherford-bohr (1913) Ce modèle comprend un noyau, très petit, autour duquel les électrons évoluent sur des orbites imbriquées l’une dans l’autre

Le modèle atomique Rutherford-bohr Contient un noyau avec des particules positives (les protons) uniquement Des électrons qui circulent sur des couches électroniques distinctes tout autour du noyau

le modèle atomique simplifié (1932) Après 1932, suite à la découverte du neutron par James Chadwick, le modèle atomique simplifié les inclut dans le noyau de l’atome Le modèle atomique simplifié tient compte du modèle de Rutherford, de la contribution de Bohr (les couches électroniques) et de celle de Chadwick (l’existence du neutron) On représente l’atome en indiquant le nombre de protons et de neutrons dans le noyau Les couches électroniques (arcs de cercles) avec leur nombres respectifs d’électrons STE

Représentation du modèle atomique simplifié (ou configuration atomique) Dessiner le noyau (exemple avec le carbone 14) Indiquer le nombre de protons et la charge (ex: 6p+) Indiquer le nombre de neutrons et la charge (ex: 8n0) Dessiner les couches électroniques en indiquant le nombre d’électrons sur chacune Ex : Le holmium

La configuration électronique (selon le modèle atomique simplifié) C’est la disposition des électrons sur les couches électroniques d’un atome La dernière couche se nomme couche périphérique et elle contient les « électrons de valence »

Les 20 premiers éléments Une couche doit absolument être complétée avant d’utiliser la suivante Les nombres maximaux d’électrons sur les 3 premières couches sont respectivement 2, 8 et 8 Pour le plaisir: http://www.ostralo.net/3_animations/swf/s tructure_electronique.swf

Le numéro atomique Symbolisé par la lettre « Z », il correspond au nombre de protons que contient le noyau d’un atome Tout atome étant électriquement neutre, ceci implique que le nombre d’électrons situés sur ses couches électroniques est toujours égal au nombre de protons contenus dans son noyau Le numéro atomique permet d’identifier un atome Par exemple, le fer possède le numéro atomique 26, ce qui veut dire que chaque atome de fer possède 26 protons dans son noyau (et donc 26 électrons sur l’ensemble de ses couches électroniques)

Le neutron Découvert par le physicien anglais James Chadwick en 1932 Les neutrons n’ont pas de charge électrique, ils sont neutres On les trouve dans le noyau de l’atome Ils seraient en quelque sorte responsables de la cohésion du noyau (ils rendent possible la cohabitation des protons ensemble) Les protons et les neutrons constituent les nucléons

Le monde subatomique en Résumé Particule subatomique Symbole Charge Masse Position dans l’atome proton p+ 1+ 1,672 x 10-24 dans noyau neutron n0 1,674 x 10-24 électron e- 1- 9,109 x 10-28 autour du noyau Note: L’électron est environ 1836 fois moins massif que les 2 autres particules

Le nombre de masse Symbolisé par la lettre « A » Il est égal au nombre de nucléons contenus dans l’atome (dans le noyau, il va sans dire) Il est donc égal à la somme des protons et des neutrons Notation des atomes … 𝑍 𝐴 𝑋 A est le nombre de masse Z est le numéro atomique X est le symbole de l’élément

7 14 𝑁 exemple Numéro atomique (Z) 7 Nombre de masse (A)14 7 protons 7 neutrons (A-Z) 7électrons

Estimation du nombre de masse d’un élément Pour un élément donné, il est possible d’estimer son nombre de masse le plus fréquent en utilisant la masse atomique, arrondie à l’unité près, telle qu’elle apparait dans le bas de sa case dans le TPE Exemple 42 96 𝑀𝑜