TraAM : Travaux Académiques Mutualisés - PCSI

Architecture de la matière
Des modèles pour l’atome
PCSI
Architecture de la matière
De l’antiquité au XIXième siècle
Démocrite (grec; -400)
Epicure (grec; -300)
Lucrèce (grec; -50)
PCSI
Conception philosophique
qui suppose que la matière
ne peut se diviser
indéfiniment, qu'il y a donc
une conservation des
éléments du monde, qui se
transforment ou se
combinent selon des
processus variés.
Architecture de la matière
XVIIiéme- XVIIIième
Descartes (français; 15961650)
Bernouilli (suisse; 17001782)
Lavoisier (français; 17431794)
PCSI
Les gaz sont composés de particules
tourbillonnantes. Pas de vérification
expérimentale.
Il effectue des calculs en supposant
que les gaz sont formés de particules
s'entrechoquant, et leurs résultats
sont en accord avec l'expérience.
« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout
se transforme » : les substances se
décomposent en « éléments », c'est
l'organisation de ces éléments qui
change lors d'une réaction.
Architecture de la matière
XIXième siècle
Dalton (anglais;
1766-1844)
Avogadro
(italien;
1776-1856)
Boltzmann
(autrichien;
1844-1906)
PCSI
Il mesure les masses des réactifs et des produits
de réaction, et en déduit que les substances sont
composées d'atomes sphériques, identiques pour
un élément, mais différents d'un élément à l'autre,
notamment par la masse de ces atomes.
Il fait également l'hypothèse que les gaz sont
polyatomiques, et définit nettement molécules et
atomes.
Il estime la taille des molécules et définit la
répartition statistique des vitesses dans un gaz.
Architecture de la matière
La découverte de l’électron
1869-1875 : Crookes (anglais 1832-1919) découvre
le rayonnement cathodique. Un tube de verre
contenant un gaz sous très faible pression
comporte deux électrodes entre lesquelles on
applique une tension de 50 kV ; on observe un
rayonnement issu de la cathode, responsable
d'une faible lueur verdatre (fluorescence de la
paroi interne du verre). Vidéo
1896 : Thomson (anglais; 1856-1940) prouve
expérimentalement l'existence des électrons. Il
mesure le rapport e/m en déviant des rayons
cathodiques grâce à des champs électrique ou
magnétique.
PCSI
Architecture de la matière
Modèle de Thomson (1904)
Les électrons, particules localisées, baignaient
dans une « soupe » positive, à l’image des
pruneaux dans le far breton (ou dans le plumpudding pour les Britanniques ou encore comme
des raisins dans un gâteau).
PCSI
Architecture de la matière
La découverte du noyau de l’atome
1910 : Rutherford (Nouvelle-Zélande 1871-1937)
découvre le noyau des atomes. De la matière
radioactive émettant des particules α est placée
dans une boîte et le faisceau de particule α est
orienté en direction d'une fine feuille d'or (6000Å).
Derrière cette couche d'or, un écran est placé ; il
est enrichi d'une substance chimique (Sulfure de
zinc: ZnS) permettant de visualiser, par un
scintillement lumineux, la collision par les
particules α. La majorité des particules α
traversent la feuille d'or, sans être déviées mais
une partie de ces particules , de l'ordre de 0,01 %,
a été déviée. De cette expérience, nous pouvons
déduire que la matière est une structure lacunaire.
Elle est constituée essentiellement de vide c'est
pour cela que la plupart des particules ne sont
pas déviées. Il existe de même des îlots de charge
positive qui repoussent les particules α. L'ordre
de grandeur de ces îlots est infiniment petit par
rapport à l'atome.
PCSI
Vidéo de l’expérience.
Architecture de la matière
Modèle de Rutherford (1911)
Ernest Rutherford proposa un modèle « planétaire
» de l'atome : les électrons, portant les charges
négatives, étaient satellisés autour d'un noyau
positif très petit.
PCSI
Architecture de la matière
Difficultés du modèle de Rutherford
Les lois de l’électromagnétisme postule
que si une charge
électrique est soumise à une accélération, il y a émission d’un
rayonnement électromagnétique (c’est ce qui se passe dans une
antenne d’émission radio où les électrons oscillent très rapidement).
Le mouvement de l’électron autour du noyau devrait s’accompagner
de l’émission d’un rayonnement. L’énergie de l’électron devrait
diminuée et l’électron devrait se rapprocher du noyau.
L’énergie de l’atome devrait varier continument, toutes les orbites
donc toutes les énergies devraient être possibles. Or tous les
atomes d’hydrogène ont tous la même taille.
Les spectres d’émission et d’absorption des éléments sont
quantifiés : les longueurs d’onde des raies ne peuvent prendre que
quelques valeurs bien déterminées caractéristiques de l’élément.
PCSI
Architecture de la matière
Modèle de Bohr (1913)
Planck
(allemand;
1858-1947)
Einstein
(allemand;
1879-1955)
Bohr (danois; 1885-1962)
Théorie des quanta : l’énergie échangée entre la
matière et le rayonnement ne peut prendre que
quelques valeurs discrètes : les quanta. Un
quantum d’énergie correspond à l’énergie d’un
photon émis ou absorbé par la matière. L’énergie
du photon est liée à la fréquence de l’onde
électromagnétique : ΔE = h.f où h est la constante
de Planck
Un atome ne peut exister que dans certains états
d’énergie quantifiés, caractérisés par un niveau
d’énergie. Chaque niveau d’énergie correspond à
une orbite électronique. Il n’y a que quelques
orbites possibles.
Un photon est émis lorsque l’atome passe d’un
niveau d’énergie à un autre.
PCSI
Architecture de la matière
Difficultés du modèle de Bohr
Le modèle de Bohr permet de d’expliquer les spectres d’émission et
d’absorption des éléments chimiques.
Certaines expériences ne peuvent pas être expliquées par le modèle
de Bohr : effet Zeeman (hollandais; 1865-1943). Zeeman découvre en
1886 que les raies spectrales d'une source de lumière soumise à un
champ magnétique possèdent plusieurs composantes, chacune
d'elles présentant une certaine polarisation.
PCSI
Architecture de la matière
Modèle quantique (1930)
Schrodinger
(autrichien;
1887-1961)
Dans ce modèle, les électrons ne sont
plus des billes localisées en orbite,
mais des nuages de probabilité de
présence.
La notion d’orbite n’existe pas. On ne
sait pas où se trouve un électron. On
peut juste parler de probabilité de
présence de l’électron en un point de
l’espace.
PCSI