Introduction à l’atome

Parlons sciences
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Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvre les parties d’un atome et son histoire.

L’atome

Selon la théorie des particules de la matière, toute la matière est constituée de minuscules particules. Ces particules sont soit des atomes individuels ou des groupes d’atomes appelés molécules. Un atome comporte deux principaux composants. Il s’agit du noyau et des électrons.

Le noyau

Au centre de chaque atome se trouve le noyau. Dans le noyau, il existe deux sortes de particules : les particules chargées positivement nommées protons et les particules sans charges nommées neutrons. Les protons donnent au noyau une charge positive. Par exemple, un atome d’hélium possède 2 protons et 2 neutrons. Sa charge nette serait de +2. Un atome de carbone a 6 protons et 6 neutrons, et une charge nette de +6.

Atomes d’hélium et de carbone
À gauche : atome d’hélium possédant 2 protons et 2 neutrons; à droite : atome de carbone possédant 6 protons et 6 neutrons. (Parlons sciences utilisant une image de VectorMine via iStockphoto)

 

Le savais-tu?

Ce n’est qu’en 1932 que les neutrons ont été découverts. C’est le scientifique James Chadwick qui a fait la découverte de leur existence.

Les électrons

Gravitant autour du noyau se trouvent de minuscules particules chargées négativement appelées électrons. Ces particules sont 2 000 fois plus petites que les protons et les neutrons. Cela signifie que la plus grande partie du poids d’un atome se situe dans le noyau. Les électrons se déplacent extrêmement vite. En fait, les électrons tournent autour du noyau à une vitesse d’environ 2 400 kilomètres par seconde! C’est assez rapide pour faire le tour de la Terre en environ 17 secondes.

Modèle atomique d’un atome d’hélium
Modèle atomique d’un atome d’hélium qui inclut les protons, les neutrons et les électrons. (Parlons sciences utilisant une image de VectorMine via iStockphoto)

C’est grâce aux forces électrostatiques que les électrons peuvent continuer de se déplacer autour du noyau. Ce sont les forces qui attirent les particules chargées négativement et positivement les unes vers les autres.

Dans la nature, la plupart des atomes sont stables. Un atome stable possède le même nombre d’électrons et de protons. Par exemple, un atome d’or a 79 protons et 79 électrons. L’atome d’argent a 47 protons chargés positivement et 47 électrons chargés négativement. Ces charges positives et négatives s’annulent. Cela signifie que les atomes stables ont une charge neutre.

Modèles atomiques d’atomes d’or et d’argent
Modèles atomiques d’un atome d’or à gauche et d’un atome d’argent à droite. (Parlons sciences utilisant une image de VectorMine via iStockphoto)

Le savais-tu?

Toute particule plus petite qu’un atome est appelée une particule subatomique. Les protons, les neutrons et les électrons sont tous des particules subatomiques.

Les modèles atomiques

Il est particulièrement difficile pour les gens de comprendre les choses qu’ils ne peuvent pas voir. C’était le cas de l’atome. Au fil du temps, les scientifiques ont créé différents modèles scientifiques. Ils l’ont fait à mesure qu’ils réalisaient des expériences et effectuaient des observations. 

Le modèle du plum-pudding de Thomson 

Au début du 20e siècle, J.J. Thomson a mené des expériences pour en apprendre davantage sur l’atome. Il a démontré que les atomes étaient composés de particules chargées positivement et négativement. Ce dont il n’était pas sûr, c’est comment ces éléments existaient ensemble. Son idée à l’époque était que les électrons négatifs étaient coincés dans une sphère positive. Il a imaginé que l’atome ressemblait à un populaire gâteau de Noël contenant des raisins. C’est pourquoi le modèle de Thomson est aussi connu sous le nom de modèle du gâteau aux raisins.Ceci est un traduction libre de l’original plum-pudding, un dessert populaire en Angleterre à cette époque.

Plum-pudding et modèle du gâteau aux raisins d’un atome.
Plum-pudding et modèle du gâteau aux raisins d’un atome. (Sources : abzee via iStockphoto et Parlons sciences utilisant une image de VectorMine via iStockphoto)

Le modèle planétaire de Rutherford 

La compréhension de l’atome chez les scientifiques a changé en 1911. Ce changement est dû aux travaux effectués par Ernest Rutherford et son équipe. Principalement, ce fut l’expérience de la feuille d’or qui a permis d’élaborer ce nouveau modèle. Ils ont découvert que la charge positive de l’atome semblait concentrée en son centre. Rutherford a appelé cet espace le noyau. Il a aussi prédit que les électrons gravitaient autour du noyau, comme les planètes autour du soleil. C’est pourquoi le modèle de Rutherford porte aussi le nom de modèle planétaire. Tu as probablement déjà vu ce modèle de l’atome. L’atome de lithium, tel que celui illustré ci-dessous, est souvent utilisé comme symbole pour représenter la science!

Atome de lithium
Modèle atomique de Rutherford d’un atome de lithium. (Parlons sciences utilisant une image de VectorMine via iStockphoto)

Le savais-tu?

Ernest Rutherford a développé son modèle alors qu’il travaillait à l’Université McGill au Canada. Un an après son retour dans son pays natal, son travail sur ce modèle lui a permis de gagner le prix Nobel de chimie.

Le modèle de Bohr 

Le modèle planétaire de Rutherford expliquait beaucoup de choses. Mais il ne permettait pas de répondre à certaines questions que se posaient toujours les scientifiques. Ceux-ci se demandaient où se trouvaient réellement les électrons et s’il était possible de prédire leur emplacement. Ils se demandaient aussi pourquoi les électrons en orbite ne perdaient pas d’énergie et ne s’écrasaient pas dans le noyau. Heureusement, le scientifique danois Niels Bohr a cherché à trouver des réponses à ces questions.

Bohr faisait partie d’un groupe de scientifiques intéressés par un nouveau domaine de la science appelé mécanique quantique. La mécanique quantique est l’étude de la façon dont les particules atomiques existent et interagissent les unes avec les autres. Bohr était particulièrement intéressé par l’énergie que possédaient les électrons. Les scientifiques commençaient à avoir une meilleure compréhension de l’énergie et des particules subatomiques. Sur cette base, Bohr a suggéré que les électrons orbitent autour du noyau selon des trajectoires précises. Il a désigné celles-ci sous le nom de couches électroniques. Tu te rappelles les modèles atomiques de l’or et de l’argent ci-dessus? Il s’agissait de modèles de Bohr. Les couches électroniques sont étiquetées à l’aide de lettres (K, L, M, N, O, P, Q) ou de nombres quantiques (n=1 à n=7).

Modèle atomique de Bohr d’un atome d’argent
Modèle atomique de Bohr d’un atome d’argent illustrant l’emplacement et le nom des couches électroniques. (Parlons sciences utilisant une image de VectorMine via iStockphoto)

 

Le modèle du nuage électronique

Le modèle de Bohr est rapidement devenu très populaire. Il est encore utilisé de nos jours parce qu’il nous aide à comprendre comment et pourquoi les atomes interagissent entre eux. Mais les scientifiques n’avaient pas encore fini d’essayer de comprendre à quoi ressemblent les atomes.

Le physicien autrichien Erwin Schrödinger a poussé le modèle de Bohr un peu plus loin. En 1926, il a proposé un modèle dans lequel il décrivait la probabilité de trouver un électron à un endroit donné. Ce modèle est connu sous le nom de modèle du nuage électronique ou modèle de la mécanique quantique. Les dessins de nuages électroniques ressemblent à des formes floues. Là où la forme est la plus dense, les chances d’y trouver un électron sont les plus élevées. L’endroit où un électron est le plus susceptible de se trouver est appelé son orbitale.

Modèle du nuage électronique.
Modèle du nuage électronique. (©2021 Parlons sciences)


Tu te rappelles que le modèle de Bohr illustrait l’emplacement des électrons dans des couches? Cela est toujours important dans le présent modèle. Dans chaque couche se trouvent des sous-couches. Dans chaque sous-couche se trouvent un nombre précis d’orbitales. Chacune des sous-couches peut contenir un certain nombre d’électrons. Chacune a aussi une forme caractéristique. Ces formes peuvent devenir passablement complexes avec l’augmentation du nombre d’électrons. Le schéma ci-dessous présente les formes des sous-couches s, p et d.

Sous-couches orbitales s, p et d.
Sous-couches orbitales s, p et d. (Source: extender01 via iStockphoto).

Les modèles atomiques sont un excellent exemple de l’évolution de la pensée scientifique au fil du temps, ainsi que de la façon dont les nouveaux outils, comme la modélisation informatique, peuvent conduire à de nouvelles conceptions du fonctionnement des choses.

 

En savoir plus

Les atomes – épisode 22
Cet épisode d’Eureka! (4 min 51 s) explore la nature des atomes.

Les électrons – épisode 23
Cet épisode d’Eureka! (4 min 50 s) explore ce que sont les électrons et présente quelques modèles atomiques.

L’atome
Cette ressource d’Edumedia est une brève histoire de l’atome et inclut des animations de différents modèles atomiques.

Quelle taille fait un atome? 
Cette vidéo (4 min 57 s, en anglais avec sous-titres français) de Kurzgesagt illustre la taille des atomes.

L’origine de la matière – Dossier #28
Cette émission (42 min 43 s) de L’Esprit Sorcier explique l’histoire (à partir de 8 min 43 s) de la théorie atomique, jusqu’à la découverte des particules élémentaires par le CERN.

Références

Brittanica. (n.d.). Orbital

Compound Chemistry. (2016, Nov. 16). The History of the Atom

Crash Course. (2013). Orbitals: Crash Course Chemistry #25.

Deziel, C. (2018). What Is an Unstable Atom? Sciencing.com.

Helmenstine, A.M. (2019, May 6). Basic Model of the Atom and Atomic Theory. Thought Co.

Khan Academy. (n.d.). Bohr’s model of hydrogen.

Lumen. (n.d.). Reading: Electrons

Paterson, D. (2019, March 26). States of matter and particle theory. Education in Chemistry.

State Government of Victoria, Australia. (2020). Scientific Models

Study.com. (n.d.). Modern Atomic Theory: Electron Clouds, Schrodinger & Heisenberg. Holt Physics online.

TechnologyUK. (n.d.). Electron Shells and Orbitals

Williams, M. (2016. April 8). What Is The Electron Cloud Model? Universe Today.