La Découverte de l'Atome

Découverte de l'atome

Les premières traces d'humains spéculant sur la composition fondamentale du monde proviennent de la Grèce antique, où le philosophe Démocrite a développé les bases de la théorie atomique vers 430 avant notre ère .Il a émis l'hypothèse que le fait de couper un objet en deux de façon répétée finira par aboutir à un fragment fondamental et indivisible de cet objet. Ce dernier morceau a reçu le nom d'atomos, qui se traduit par "indivisible", et plus tard, il a été adapté pour devenir l'"atome" que nous connaissons aujourd'hui.

En se basant sur les idées de Démocrite et sur la loi de conservation de la masse d'Antoine Lavoisier, un chimiste britannique du nom de John Dalton a développé la théorie atomique au début du^19ème siècle.

Dalton affirmait que les atomes différaient en masse et en taille, selon l'élément chimique. Ses principales recherches ont consisté à déterminer les masses relatives des différents atomes.

Découverte de la structure atomique

Une fois que l'idée générale sur les atomes et leur comportement a été établie, la compréhension de la cause sous-jacente de ces caractéristiques est devenue le principal sujet d'intérêt. Ainsi, à la fin du^19e siècle, diverses découvertes scientifiques telles que les rayons cathodiques, les rayons X et les radiations ionisantes ont permis de découvrir que les atomes peuvent être divisés davantage, révélant les particules fondamentales, la première étant l'électron .

La présence d'électrons en particulier a été prouvée par J. J. Thompson, à partir de ses expériences sur les tubes cathodiques. En mesurant la masse du tube cathodique, il s'est rendu compte qu'il pesait 1000 fois moins que la particule la plus légère connue, l'atome d'hydrogène. C'est ainsi qu'il a imaginé le modèle du plum pudding.

Considérant que la charge globale de l'atome était censée être neutre, et que les électrons étaient connus pour avoir une charge négative, Thompson en a conclu qu'ils devaient être noyés dans un volume chargé positivement. Un peu comme des prunes dispersées au hasard dans un pudding, visible dans la figure 1 ci-dessous.

Fig. 1 - Le modèle du plum pudding proposé par J.J. Thompson, où des électrons chargés négativement sont placés dans un espace chargé positivement.

Ce modèle a été testé plus tard par Ernest Rutherford, qui a réalisé l'expérience de la feuille d'or. Dans cette expérience, Rutherford a dirigé un rayon de particules alpha radioactives vers une fine feuille d'or. La plupart des particules ont traversé la feuille, comme le prévoyait le modèle du plum-pudding. Cependant, certaines particules ont été réfléchies ou dispersées, ce qui va directement à l'encontre de la théorie de Thompson, donnant lieu à une nouvelle théorie atomique - le modèle de Rutherford. Une explication plus approfondie de la procédure expérimentale et du modèle lui-même se trouve plus loin dans l'article.

La découverte de l'atome par Démocrite

Bien que nous ayons mentionné Démocrite comme le père de la théorie atomique initiale, il n'est pas le seul philosophe de l'Antiquité à avoir contribué à la découverte de l'atome. Il s'avère que son professeur moins célèbre - le philosophe grec Leucippe - pourrait avoir été l'auteur initial de la théorie. Cela dit, Démocrite a trouvé le nom des particules indivisibles .

Fig. 2 - Le philosophe grec de l'Antiquité Démocrite est à l'origine de la découverte de l'atome.

La description de l'atome par Démocrite était très spécifique, mettant l'accent sur sa structure constante et stable. Pour lui, les atomes sont immuables, solides et indivisibles. En outre, l'atome possédait les mêmes propriétés que la matière qu'il créait. Par exemple, les choses acides étaient composées d'atomes hérissés, tandis que les choses sucrées étaient associées à des atomes lisses.

Bien qu'à bien des égards sa théorie soit abstraite et basée sur de pures spéculations, elle s'est avérée partiellement correcte et a finalement conduit à la découverte du véritable atome.

Ladécouverte de l'atome par Ernest Rutherford

Ernest Rutherford a réussi à réfuter le modèle du plum pudding en réalisant l'expérience de diffusion de Rutherford (également connue sous le nom d'expérience de la feuille d'or). L'appareil utilisé pour cette expérience est visible sur la figure 3 ci-dessous.

Fig. 3 - L'appareil expérimental utilisé par Rutherford, dans lequel des particules \(\Nalpha\N) sont dirigées vers une feuille d'or, et détectées à l'aide d'un détecteur de particules réglable.

Les principaux éléments de ce dispositif expérimental sont la source de particules alpha dirigée vers une feuille d'or. Une fois traversées, elles sont localisées à l'aide d'un détecteur de particules alpha, le tout se déroulant dans une chambre à vide. Au cours de la procédure expérimentale, environ une particule sur ⁸⁰⁰⁰ a été réfléchie vers l'arrière ou diffusée selon des angles supérieurs à \(90^{\circ}\), le détecteur a donc été ajusté en conséquence pour les capter. La déviation et la dispersion des particules constituent une observation étonnante, que Rutherford a même comparée à une arme à feu tirée sur du papier toilette et dont la balle rebondit .

Les principales conclusions tirées de l'expérience de diffusion de Rutherford sont les suivantes.

1. La majorité de la masse de l'atome doit se trouver dans le noyau, qui occupe un volume minuscule.

2. Le noyau doit avoir une charge positive, car il repousse les particules alpha chargées positivement.

3. La majeure partie de l'atome est constituée d'espace vide, car seules quelques particules sont déviées.

4. Pour que l'atome reste neutre, il doit contenir des électrons chargés négativement et éloignés du noyau chargé positivement.

Celles-ci contredisent directement le modèle du plum pudding, ce qui signifie qu'une nouvelle structure atomique devait être établie. C'est ainsi que Rutherford a élaboré un nouveau modèle atomique connu sous le nom de modèle de Rutherford.

La dernière partie de son modèle, qui proposait que les électrons aient des orbites fixes autour du noyau, semblables à celles des planètes en orbite autour du soleil, était incorrecte. D'après la théorie électromagnétique de Maxwell, l'atome ne serait pas stable si c'était le cas.

Ladécouverte de l'atome par Marie et Pierre Curie

Bien que les découvertes de Marie et Pierre Curie ne soient pas directement liées aux atomes, leurs découvertes ont contribué à la compréhension générale des atomes et de leur structure.

Fig. 4 - Marie et Pierre Curie ont découvert le polonium et le radium, confirmant ainsi la divisibilité des atomes. [1], CC BY 4.0 , via Wikimedia Commons

Un an seulement après la découverte des rayons X 1995, le physicien français Henri Becquerel remarque que l'uranium émet lui-même des rayons similaires. L 'élève de Becquerel, Marie Curie, a poussé plus loin ses observations et, avec son mari Pierre, a étudié les matériaux radioactifs et leurs propriétés, ce qui a conduit à la découverte de nouveaux éléments radioactifs : le polonium et le radium.

Une observation supplémentaire qu'ils ont faite après leur découverte était que l'énergie du rayonnement provenait de l'intérieur de l'élément, sous forme de minuscules particules, plutôt que de provenir directement de la surface du matériau. Marie a appelé cette propriété de la matière la radioactivité, inventant ainsi le terme. Cette découverte a confirmé la divisibilité et la nature changeante des atomes, et a joué un rôle important dans la compréhension de la structure d'un atome.