Modèle atomique de Rutherford: histoire, expériences, caractéristiques et postulats

Le modèle atomique de Rutherford est la description de l'atome créée par le physicien britannique Ernest Rutherford (1871-1937) lorsqu'il découvrit le noyau atomique en 1911, grâce aux fameuses expériences de dispersion portant son nom.

L'idée de l'atome (" indivisible " en grec) en tant que plus petit composant de la matière, était une création intellectuelle née dans la Grèce antique, vers 300 avant JC. Comme tant d'autres concepts grecs, le concept de l'atome est développé à partir de logique et argumentation, mais pas expérimentation.

Les philosophes atomistes les plus remarquables étaient Démocrite d’Abdera (460-360 av. J.-C.), Epicure de Samos (341-270 av. J.-C.) et Tito Lucretius (98-54 av. J.-C.). Les Grecs ont conçu quatre types d'atomes différents correspondant aux quatre éléments qui, selon eux, constituaient la matière: l'air, l'eau, la terre et le feu.

Plus tard, Aristote ajouterait un cinquième élément: l'éther qui formait les étoiles, puisque les quatre autres éléments étaient purement terrestres.

Les conquêtes d’Alexandre le Grand, enseigné par Aristote, élargirent ses croyances dans le monde antique, de l’Espagne à l’Inde. Ainsi, pendant des siècles, l’ atome créait une place dans le monde des sciences.

L'atome n'est plus indivisible

Les idées des philosophes grecs sur la structure de la matière restèrent les mêmes pendant des siècles, jusqu'à ce qu'un chimiste et professeur d'école anglaise nommé John Dalton (1776-1844) publie les résultats de ses expériences en 1808.

Dalton a convenu que les éléments sont constitués de particules extrêmement petites, appelées atomes. Mais il est allé plus loin en affirmant que tous les atomes d'un même élément sont égaux, ont la même taille, la même masse et les mêmes propriétés chimiques, ce qui les rend inchangés au cours d'une réaction chimique.

C'est le premier modèle atomique à base scientifique. Comme les Grecs, Dalton considérait encore l'atome comme indivisible, donc dépourvu de structure. Cependant, le génie de Dalton l’a amené à observer l’un des grands principes de la conservation de la physique:

Dans les réactions chimiques, les atomes ne sont ni créés ni détruits, ils ne font que modifier leur répartition.

Et il a établi la manière dont les composés chimiques étaient formés par les "atomes composés" (molécules):

Lorsque deux atomes ou plus d'éléments différents se combinent pour former le même composé, ils le font toujours dans des proportions de masse définies et constantes .

Le XIXe siècle fut le grand siècle de l'électricité et du magnétisme. Quelques années après les publications de Dalton, les résultats de certaines expériences ont semé le doute parmi les scientifiques sur l'indivisibilité de l'atome.

Tube de Crookes

Le tube de Crookes était un appareil conçu par le chimiste et météorologue britannique William Crookes (1832-1919). L'expérience que Crookes réalisa en 1875 consista à placer, à l'intérieur d'un tube rempli de gaz à basse pression, deux électrodes, l'une appelée cathode et l'autre appelée anode .

En établissant une différence de potentiel entre les deux électrodes, le gaz brillait avec une couleur caractéristique du gaz utilisé. Ce fait nous a fait penser qu'il existait une certaine organisation particulière au sein de l'atome et qu'elle n'était donc pas indivisible.

De plus, ce rayonnement produisait une faible fluorescence dans la paroi du tube de verre devant la cathode, supprimant ainsi l'ombre d'une marque en forme de croix située à l'intérieur du tube.

C’était un rayonnement mystérieux appelé «rayons cathodiques», qui se déplaçait en ligne droite jusqu’à l’anode et qui était très énergique, capable de produire des effets mécaniques, et qui était dévié vers une plaque chargée positivement ou également par des aimants.

La découverte de l'électron

Le rayonnement à l'intérieur du tube de Crookes ne pouvait pas être une onde, car il portait une charge négative. Joseph John Thomson (1856 - 1940) trouva la réponse en 1887 lorsqu'il découvrit le lien entre la charge et la masse de ce rayonnement et découvrit qu'il était toujours le même: 1, 76 x 1011 C / Kg., Quel que soit le gaz contenu dans le tube ou le matériau utilisé pour fabriquer la cathode.

Thomson a appelé ces particules corpuscules . En mesurant sa masse par rapport à sa charge électrique, il a conclu que chaque corpuscule était bien plus petit qu'un atome. Par conséquent, il a suggéré qu'ils devraient faire partie de ceux-ci, découvrant ainsi l' électron .

Le scientifique britannique a été le premier à esquisser un modèle graphique de l'atome, en dessinant une sphère avec quelques points insérés, baptisée "plum pudding" par sa forme. Mais cette découverte a apporté d'autres questions:

Si la matière est neutre et que l'électron a une charge négative: dans quelle partie de l'atome se trouve la charge positive qui neutralise les électrons?
Si la masse de l'électron est inférieure à celle de l'atome, alors quel est le reste de l'atome?
Pourquoi les particules ainsi obtenues ont-elles toujours des électrons et jamais d'un autre type?

Expériences de diffusion de Rutherford: le noyau atomique et le proton

En 1898, Rutherford avait identifié deux types de rayonnement provenant de l'uranium, qu'il appelait alpha et bêta .

Marie Curie avait déjà découvert la radioactivité naturelle en 1896. Les particules alpha sont chargées positivement et sont simplement des noyaux d'hélium, mais le concept de noyau n'était pas encore connu à cette époque. Rutherford était sur le point de le découvrir.

L'une des expériences que Rutherford a menées en 1911 à l'Université de Manchester, avec l'aide de Hans Geiger, a consisté à bombarder une mince feuille d'or avec des particules alpha, dont la charge est positive. Il plaça autour de la feuille d'or un écran fluorescent qui leur permit de visualiser les effets du bombardement.

Observations

En étudiant les impacts sur l’écran fluorescent, Rutherford et ses assistants ont observé que:

Un pourcentage très élevé de particules alpha traversaient la feuille sans déviation notable.
Certains déviés à des angles assez raides
Et très peu ont complètement rebondi

Les observations 2 et 3 ont surpris les chercheurs et les ont amenés à supposer que le responsable de la diffusion des rayons devait avoir une charge positive et que, en vertu de l'observation numéro 1, cette personne était beaucoup plus petite que les particules alpha. .

Rutherford lui-même a dit que c'était "... comme si vous tiriez un obus naval de 15 pouces sur une feuille de papier et que le projectile a rebondi et vous a touché". Cela ne pourrait certainement pas être expliqué par le modèle de Thompson.

En analysant ses résultats du point de vue classique, Rutherford avait découvert l’existence du noyau atomique, où se concentrait la charge positive de l’atome qui lui donnait sa neutralité.

Rutherford poursuivit ses expériences de diffusion. En 1918, la nouvelle cible des particules alpha était constituée d'atomes d'azote.

Ainsi, il détecta les noyaux d'hydrogène et sut immédiatement que le seul endroit d'où pouvaient provenir ces noyaux était l'azote lui-même. Comment était-il possible que les noyaux d'hydrogène fassent partie de l'azote?

Rutherford a alors suggéré que le noyau d'hydrogène, un élément auquel le numéro atomique 1 avait déjà été attribué, devait être une particule fondamentale. Il l'a appelé proton, un mot grec désignant en premier . Ainsi, les découvertes du noyau atomique et du proton sont dues à ce brillant Néo-Zélandais.

Postulats du modèle atomique de Rutherford

Le nouveau modèle était très différent de celui de Thompson. C'étaient ses postulats:

L'atome contient un noyau chargé positivement, qui, bien que très petit, contient presque toute la masse de l'atome.
Les électrons gravitent autour du noyau atomique à grande distance et sur des orbites circulaires ou elliptiques.
La charge nette de l'atome est nulle puisque les charges des électrons compensent la charge positive présente dans le noyau.

Les calculs de Rutherford indiquaient un noyau sphérique et un rayon aussi petit que 10-15 m, la valeur du rayon atomique étant 100 000 fois plus grande, car les noyaux sont comparativement très éloignés: de l'ordre de 10 à 10 m.

Cela explique pourquoi la plupart des particules alpha ont traversé la feuille sans inconvénient ou ont à peine subi une très petite déviation.

Vu à une échelle d'objets du quotidien, l'atome de Rutherford serait composé d'un noyau de la taille d'une balle de baseball, tandis que le rayon de l'atome serait d'environ 8 km, de sorte que l'atome peut presque tout être considéré comme un espace vide.

Grâce à sa ressemblance avec un système solaire miniature, il était connu sous le nom de "modèle planétaire de l'atome". La force d'attraction électrostatique entre le noyau et les électrons serait analogue à l'attraction gravitationnelle entre le soleil et les planètes.

Limitations

Cependant, il y avait certains désaccords concernant certains faits observés:

Si nous acceptons l’idée que l’électron gravite autour du noyau, il se peut que le noyau émette en permanence des radiations jusqu’à ce qu’il entre en collision avec le noyau, ce qui entraîne la destruction de l’atome en moins d’une seconde. Heureusement, ce n'est pas ce qui se passe réellement.
En outre, dans certaines occasions, l’atome émet certaines fréquences de rayonnement électromagnétique lorsqu’il y a des transitions entre un état d’énergie supérieure à un autre avec moins d’énergie, et uniquement ces fréquences et pas les autres. Comment expliquer le fait que l'énergie est quantifiée?

Malgré ces limitations, étant donné qu’il existe aujourd’hui des modèles beaucoup plus sophistiqués et que, d’après les faits observés, le modèle atomique de Rutherford reste utile pour permettre à l’étudiant d’avoir une première approche réussie de l’atome et de ses particules constitutives.

Dans ce modèle d'atome n'apparaît pas le neutron, un autre constituant du noyau, qui n'a été découvert qu'en 1932.

Peu de temps après que Rutherford eut proposé son modèle planétaire, le physicien danois Niels Bohr le modifierait en 1913 pour expliquer pourquoi l'atome n'était pas détruit et nous sommes toujours là pour raconter cette histoire.