L'histoire du modèle atomique

Démocrite est un philosophe de l’Antiquité ayant vécu environ 400 ans avant notre ère. Il est à l’origine d'un des premiers modèles atomiques.

Démocrite affirme que la matière est constituée de particules très petites qu’il est impossible de briser ou de diviser. Il appelle ces particules atomes (atomos en grec, qui signifie indivisible). Il pense que ces particules sont séparées par du vide. C’est pourquoi sa représentation de la matière est appelée le modèle de la discontinuité.

Selon lui, la façon dont les atomes sont répartis dans la matière expliquerait pourquoi une substance aurait des propriétés différentes d’une autre substance. Par exemple, le fait que le plomb soit plus lourd que le liège s’expliquerait par le fait que les atomes y sont plus entassés.

Environ 100 ans plus tard, le philosophe Aristote s’oppose à l’idée de Démocrite. Selon lui, la matière doit remplir totalement l’espace qu’elle occupe. Il n’y a pas de vide. C’est pourquoi on appelle son idée le modèle de la continuité. 

Aristote affirme que la matière est divisible à l’infini, contrairement à ce que disait Démocrite, qui pense qu’il existe des particules indivisibles, les atomes.

Aristote pense aussi que la matière est constituée de quatre éléments : la terre, le feu, l’air et l’eau. Selon lui, ces éléments sont mélangés en proportions différentes pour former les diverses substances qui nous entourent.

À cette époque, les gens croient plus à la théorie d’Aristote qu’à celle de Démocrite, même si on sait aujourd’hui que le modèle de Démocrite est plus près de la réalité.
 

Dalton observe que certains gaz se dissolvent mieux dans l’eau que d’autres gaz. Après analyses, il suggère que les gaz (constitués d’atomes) ne sont pas tous identiques. Il pense que si certains gaz se dissolvent plus que d’autres, c’est parce que les atomes qui les constituent ont des masses différentes.

Dalton s’appuie également sur les travaux des chimistes Joseph Proust et Antoine Laurent de Lavoisier. Proust observe que chaque substance se divise toujours en mêmes produits et en mêmes proportions. Lavoisier démontre que lors d’une réaction chimique, la masse des réactifs avant l’expérience est toujours égale à la masse des produits après l’expérience, d’où sa célèbre phrase : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »
 

À l’époque de Thomson, des scientifiques ont déjà commencé à faire des expériences sur l’électricité dans des tubes sous vide. Les tubes, appelés tubes cathodiques, comportent une électrode négative, la cathode, et une électrode positive, l’anode. En soumettant ces électrodes à un courant électrique, les scientifiques observent un faisceau lumineux, qui semble provenir de la cathode. On donne ainsi le nom de rayon cathodique au faisceau lumineux. À cette époque, les scientifiques ne connaissent pas la nature du rayon observé. Thomson se penche alors sur la question.

Thomson fait une série d’expériences et conclut que le rayon cathodique est formé de particules plus petites qu’un atome et qu’elles sont chargées négativement. Il appelle cette nouvelle particule l’électron.

À la lumière de ses expériences, Thomson suppose que l’atome n’est pas indivisible. En effet, il affirme que celui-ci est constitué en partie d’électrons. C’est alors qu’il propose un nouveau modèle atomique, en 1904.
 

Rutherford s’intéresse à la radioactivité, plus spécifiquement aux observations des scientifiques de son époque qui ont remarqué que les éléments radioactifs émettent différents types de radiations. Parmi ces types de radiations, il y a le rayonnement alpha, qui est formé de particules chargées positivement.

À partir de ces découvertes, Rutherford fait des expériences. Il bombarde une mince feuille d’or de ces particules chargées positivement et remarque que les particules passent en majorité à travers la feuille et que quelques-unes dévient de leur trajectoire.
 

Il conclut que l’atome est constitué majoritairement de vide, puisque la majorité des particules passe à travers la feuille (1). Il conclut également que l’atome a un noyau petit et dense en son centre, sur lequel les particules rebondissent (2) ou dévient de leur trajectoire (3). Ce noyau est formé de particules positives, qu’il appelle protons.

Toutefois, ce modèle a quelques limites. Entre autres, il n’explique pas pourquoi les électrons, de charge négative, ne s’écrasent pas sur le noyau, de charge positive.

Bohr suppose que les électrons circulent sur des orbites, qu’il appelle couches électroniques. Chaque couche électronique correspond à un niveau d’énergie précis. Plus l’électron se situe sur une couche éloignée du noyau, plus il a d’énergie.

Les électrons peuvent se déplacer d’une couche à une autre selon leur gain ou leur perte d’énergie. Si on fournit de l’énergie à un électron, il se déplace vers une couche supérieure.

Toutefois, l’électron ne reste pas sur la couche supérieure. Il redescend sur sa couche de départ. En descendant, il perd de l’énergie, qu’il émet sous forme de lumière.

Dépendamment des niveaux de départ et d’arrivée de l’électron, les couleurs de lumière émise sont différentes. En effet, chaque élément du tableau périodique a un spectre de raies de lumière qui lui est propre.

Ce modèle n’est pourtant pas encore parfait. Il n’explique pas comment les protons, tous de charge positive, restent liés entre eux dans le noyau au lieu de se repousser.