Le modèle quantique de l'atome

Résumé du document

Les idées scientifiques sur cette question, qui relève évidemment d'une approche "microscopique", ont beaucoup évolué depuis les premières conjectures formulées au début du XIXème siècle. On pourrait penser que seules les idées les plus récents ont de l'intérêt, mais nous nous attacherons cependant à suivre les principales étapes de cette évolution.
D'une part, elles illustrent très bien la façon dont progresse la science, en utilisant des modèles successifs de plus en plus élaborés. Les conceptions sur l'atome ont en effet pris la forme d'un certain nombre de modèles (Dalton, Rutherford, Bohr, ...),chacun conçu pour expliquer les faits expérimentaux connus à une époque. Un modèle nouveau est devenu nécessaire lorsque des faits nouveaux n'ont pu être expliqués par le modèle jusqu'alors accepté.
Ainsi le pouvoir explicatif des modèles successifs a été de plus en plus grand, au prix, il est vrai, d'une complexité également de plus en plus grande.
D'autre part, un modèle ne se substitue jamais entièrement à un autre ; il l'engolbe, le complète, l'affine. Ainsi les premiers modèles de l'atome ont apporté des idées fondamentales qui n'ont pas été par la suite remises en cause : atomes différants par leurs masses, existence dans la matière de charges électriques positives et négatives, concentration de la matière dans les noyaux positifs, relation entre valeur de leur charge et la nature chimique de l'élément.
Cette évolution doit nous conduire à relativiser la valeur des idées et des théories actuelles. Il n'y a aucune raison de penser que la modélisation à laquelle on est parvenu (modèle ondulatoire) est définitive. Elle est loin d'être parfaite, ne s'applique strictement qu'aux cas les plus simples et nécessite des approximations pour les autres...

Extraits

[...] Une telle radiation est dite monochromatique. Elle correspond à une transition bien définie. En réalité, une radiation exactement monochromatique est une abstraction, car elle serait infiniment fine et donc inobservable. Ce que l'on peut voir sur un spectre, même si celui ci est discontinu, ce sont des radiations ayant une certaine largeur, de l'ordre de 10-3 nm au minimum. Différentes régions spectrales : Longueurs d'onde Rayons X Ultraviolet lointain Ultraviolet proche Visible Infrarouge proche Infrarouge moyen Infrarouge lointain Micro-ondes Ondes radio Unités usuelles 10-3 10 nm 10 200 nm 200 400 nm 400 750 nm 0,75 2,5 µm 2,5 50 µm 50 µm 0,1 100 cm 1 m Mètres 10-12 10-8 10-8 2.10 - 4.10 - - - 5.10 - 10-3 10-3 - 103 Fréquences 1020 - 105 Monochromateurs à fentes : Un monochromateur est destiné à extraire du rayonnement complexe émis par une source un faisceau ne transportant que des radiations comprises dans un intervalle spectral étroit, de largeur et de longueur d'onde moyenne variables. [...]

[...] Cette évolution doit nous conduire à relativiser la valeur des idées et des théories actuelles. Il n'y a aucune raison de penser que la modélisation à laquelle on est parvenu (modèle ondulatoire) est définitive. Elle est loin d'être parfaite, ne s'applique strictement qu'aux cas les plus simples et nécessite des approximations pour les autres La naissance de la théorie atomique moderne : La théorie atomique est relativement récente. Contenue en germe dans la pensée de certains philosophes de l'antiquité, elle n'a été considérée comme une hypothèse scientifique sérieuse qu'au début du XIXème siècle. [...]

[...] L'absorption d'un photon de fréquence convenable (i.e. que l'électron reçoit un quantum d'énergie exactement approprié) provoque des transitions montantes ; l'émission de rayonnement a lieu à l'occasion de transitions descendantes qui ramènent l'électron au niveau fondamental, directement ou par des étapes (c'est la relaxation). Les séries de raies observées dans les spectres d'émission correspondent à l'ensemble des transitions descendantes qui aboutissent à un niveau déterminé. Il y a lieu de noter, cependant, qu'il existe des règles de sélection, en fonction desquelles certaines transitions sont interdites (quantification de l'énergie). [...]

[...] Un modèle nouveau est devenu nécessaire lorsque des faits nouveaux n'ont pu être expliqués par le modèle jusqu'alors accepté. Ainsi le pouvoir explicatif des modèles successifs a été de plus en plus grand, au prix, il est vrai, d'une complexité également de plus en plus grande. D'autre part, un modèle ne se substitue jamais entièrement à un autre ; il l'englobe, le complète, l'affine. Ainsi les premiers modèles de l'atome ont apporté des idées fondamentales qui n'ont pas été par la suite remises en cause : atomes différants par leurs masses, existence dans la matière de charges électriques positives & négatives, concentration de la matière dans les noyaux positifs, relation entre valeur de leur charge et la nature chimique de l'élément. [...]

[...] Joseph Thomson (1856 1940) a pu déterminer la valeur de leur rapport charge / masse, et montrer qu'il est le même quels que soient le gaz de l'ampoule ou le métal de la cathode. Ces particules, les électrons, sont donc un constituant universel de la matière. Quelques années plus tard, Robert Millikan (1868 1953), a pu déterminer la valeur de la charge de l'électron en étudiant les mouvements de gouttelettes d'huile électrisées entre les armatures d'un condensateur horizontal. La valeur absolue de cette charge représente la plus petite charge électrique qui puisse exister. Toute charge électrique ne peut être, en valeur absolue, qu'un multiple entier de celle de l'électron. [...]