Modèles atomiques

Modèle atomique de Thomson

En 1898, J. J. Thomson a proposé le premier des nombreux modèles atomiques à venir. Il a proposé qu’un atome a la forme d’une sphère d’un rayon d’environ 10-10m, où la charge positive est uniformément répartie. Les électrons sont intégrés dans cette sphère de manière à donner l’arrangement électrostatique le plus stable.

La figure ci-dessus ne vous rappelle-t-elle pas une pastèque coupée avec des graines à l’intérieur ? Ou, vous pouvez aussi y penser comme à un pudding avec les électrons étant la prune ou les raisins secs dans le pudding. Par conséquent, ce modèle est également appelé le modèle de la pastèque, le modèle du pudding aux prunes ou le modèle du pudding aux raisins secs.

Un aspect important de ce modèle est qu’il suppose que la masse de l’atome est uniformément répartie sur l’atome. Le modèle atomique de Thomson a réussi à expliquer la neutralité globale de l’atome. Cependant, ses propositions n’étaient pas cohérentes avec les résultats d’expériences ultérieures. En 1906, J. J. Thomson a reçu le prix Nobel de physique pour ses théories et ses expériences sur la conduction de l’électricité par les gaz.

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Modèle atomique de Rutherford

Le deuxième des modèles atomiques a été la contribution d’Ernest Rutherford. Pour arriver à leur modèle, Rutherford et ses étudiants – Hans Geiger et Ernest Marsden ont réalisé une expérience où ils ont bombardé une feuille d’or très mince avec des particules α. Comprenons cette expérience.

Expérience de diffusion de particules α

Expérience

Dans cette expérience, des particules α de haute énergie provenant d’une source radioactive ont été dirigées vers une fine feuille d’or (environ 100nm d’épaisseur). Un écran circulaire fluorescent en sulfure de zinc était présent autour de la fine feuille d’or. Un minuscule flash de lumière était produit en un point de l’écran chaque fois que des particules α le frappaient.

Résultats

Selon le modèle de Thomson, la masse de chaque atome de la feuille d’or devrait être uniformément répartie sur l’ensemble de l’atome. Par conséquent, lorsque les particules α frappent la feuille, on s’attend à ce qu’elles ralentissent et ne changent de direction que par de petits angles lors de leur passage à travers la feuille. Cependant, les résultats de l’expérience de Rutherford étaient inattendus –

• La plupart des particules α sont passées sans être déviées à travers la feuille.
• Un petit nombre de particules α ont été déviées par de petits angles.
• Très peu de particules α (environ 1 sur 20 000) ont rebondi.

Conclusions de l’expérience de diffusion α

Sur la base des résultats ci-dessus, Rutherford a tiré les conclusions suivantes sur la structure de l’atome:

• Puisque la plupart des particules α ont traversé la feuille sans être déviées, la majeure partie de l’espace dans l’atome est vide.
• La déviation de quelques particules α chargées positivement doit être due à l’énorme force de répulsion. Cela suggère que la charge positive n’est pas uniformément répartie dans l’atome comme Thomson l’avait proposé. La charge positive doit être concentrée dans un très petit volume pour dévier les particules α chargées positivement.
• Les calculs de Rutherford montrent que le volume du noyau est très petit par rapport au volume total de l’atome et le rayon d’un atome est d’environ 10-10m, alors que celui du noyau est de 10-15m.

Modèle nucléaire de l’atome

Sur la base de ses observations et conclusions, Rutherford a proposé son modèle de la structure de l’atome. Selon ce modèle –

• La plupart de la masse de l’atome et la charge positive sont densément concentrées dans une très petite région de l’atome. Rutherford a appelé cette région le noyau.
• Les électrons entourent le noyau et se déplacent autour de lui à très grande vitesse dans des trajectoires circulaires appelées orbites. Cette disposition ressemble également au système solaire, où le noyau forme le soleil et les électrons sont les planètes en rotation. C’est pourquoi on l’appelle aussi le modèle planétaire.
• Les forces d’attraction électrostatiques maintiennent le noyau et les électrons ensemble.

Inconvénients du modèle atomique de Rutherford

• Selon le modèle atomique de Rutherford, les électrons (planètes) se déplacent autour du noyau (soleil) sur des orbites bien définies. Comme un corps qui se déplace sur une orbite doit subir une accélération, les électrons, dans ce cas, doivent subir une accélération. Selon la théorie électromagnétique de Maxwell, les particules chargées, lorsqu’elles sont accélérées, doivent émettre un rayonnement électromagnétique. Par conséquent, un électron sur une orbite émettra des radiations et l’orbite finira par se rétrécir. Si cela est vrai, alors l’électron entrera en spirale dans le noyau. Mais cela ne se produit pas. Ainsi, le modèle de Rutherford n’explique pas la stabilité de l’atome.
• Contrairement, considérons que les électrons ne bougent pas et sont stationnaires. Alors l’attraction électrostatique entre les électrons et le noyau dense va attirer les électrons dans le noyau pour former une version miniature du modèle de Thomson.
• Le modèle de Rutherford n’énonce également rien sur la distribution des électrons autour du noyau et sur les énergies de ces électrons.

Ainsi, les modèles atomiques de Thomson et de Rutherford ont révélé des aspects essentiels de la structure de l’atome mais n’ont pas abordé certains points critiques. Maintenant que nous connaissons les deux modèles atomiques, essayons de comprendre quelques concepts.

Numéro atomique et numéro de masse

Comme nous le savons maintenant, une charge positive sur le noyau est due aux protons. De plus, la charge du proton est égale mais opposée à celle de l’électron. Le numéro atomique (Z) est le nombre de protons présents dans le noyau. Par exemple, le nombre de protons dans le sodium est de 11 alors qu’il est de 1 dans l’hydrogène, Par conséquent, les numéros atomiques du sodium et de l’hydrogène sont respectivement de 11 et de 1.

Aussi, pour maintenir la neutralité électrique, le nombre d’électrons dans un atome est égal au nombre de protons (numéro atomique, Z). Par conséquent, le nombre d’électrons dans le sodium et l’hydrogène est respectivement de 11 et 1.

Nombre atomique = le nombre de protons dans le noyau d’un atome

= le nombre d’électrons dans un atome neutre

La charge positive du noyau est due aux protons, mais la masse de l’atome est due aux protons et aux neutrons. Ils sont connus collectivement sous le nom de nucléons. Le nombre de masse (A) de l’atome est le nombre total de nucléons.

Nombre de masse (A) = le nombre de protons (Z) + le nombre de neutrons (n)

Par conséquent, la composition d’un atome est représentée en utilisant le symbole de l’élément (X) avec le nombre de masse (A) comme super-scriptum à gauche et le numéro atomique (Z) comme sous-scriptum à gauche – AZX.

Apprenez le numéro atomique ici plus en détail.

Isobars et isotopes

Les isobars sont des atomes ayant le même numéro de masse mais un numéro atomique différent. Par exemple, 146C et 147N.

En savoir plus sur les isobares ici en détail.

Les isotopes, eux, sont des atomes ayant le même numéro atomique mais un numéro de masse différent. Cela signifie que la différence entre les isotopes est due à la présence d’un nombre différent de neutrons dans le noyau. Comprenons cela en utilisant l’hydrogène comme exemple –

• 99,985% des atomes d’hydrogène ne contiennent qu’un seul proton. Cet isotope est le protium (11H).
• L’isotope contenant un proton et un neutron est le deutérium (21D).
• L’isotope avec un proton et deux neutrons est le tritium (31T). Cet isotope existe à l’état de traces sur terre.

Les autres isotopes courants sont – les atomes de carbone avec 6 protons et 6, 7 ou 8 neutrons (126C, 136C, 146C) et les atomes de chlore avec 17 protons et 18 ou 20 neutrons (3517Cl, 3717Cl).

Note : Les propriétés chimiques des atomes sont sous l’influence du nombre d’électrons, qui dépendent du nombre de protons dans le noyau. Le nombre de neutrons a un effet très faible sur les propriétés chimiques d’un élément. Par conséquent, tous les isotopes d’un élément présentent le même comportement chimique.

Découvrez les isotopes plus en détail ici.

Exemples résolus pour vous

Question 1 : Associez les colonnes :

1. Nombre de masse	a. Modèle nucléaire de l’atome
2. J.J. Thomson	b. Nombre de protons
3. Rutherford	c. Nombre de nucléons
4. Numéro atomique	d. Modèle du pudding aux prunes

Solution : 1 → c, 2 → d, 3 → a, 4 → b.

Question 2 : Calculez le nombre de protons, de neutrons et d’électrons dans 5626Fe.

Solution : Dans 5626Fe, numéro atomique (Z) = 26, numéro de masse (A) = 56.

Nombre de protons = nombre d’électrons = Z = 26.

Nombre de neutrons = A – Z = 56 – 26 = 30.

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