MODÈLE ATOMIQUE DE RUTHERFORD: HISTOIRE, EXPÉRIENCES, POSTULATS - PHYSIQUE - 2025

Le modèle atomique de Rutherford est la description de l'atome créé par le physicien britannique Ernest Rutherford (1871-1937) découvert en 1911 lors du noyau atomique par les fameuses expériences de diffusion qui portent leur nom.

L'idée de l'atome («indivisible» en grec) comme le plus petit composant de la matière, était une création intellectuelle née dans la Grèce antique, vers 300 avant JC Comme tant d'autres concepts grecs, le concept d'atome est développé sur la base de logique et argumentation, mais pas expérimentation.

Le modèle atomique de Rutherford

Les philosophes atomistes les plus notables étaient Démocrite d'Abdera (460 - 360 avant JC), Epicure de Samos (341 - 270 avant JC) et Titus Lucrèce (98 - 54 avant JC). Les Grecs ont conçu quatre types d'atomes différents qui correspondaient aux quatre éléments qui, selon eux, constituaient la matière: l'air, l'eau, la terre et le feu.

Plus tard, Aristote ajoutera un cinquième élément: l'éther qui forma les étoiles, puisque les quatre autres éléments étaient purement terrestres.

Les conquêtes d'Alexandre le Grand, dont Aristote était un enseignant, ont élargi ses croyances à travers le monde antique, de l'Espagne à l'Inde et ainsi, pendant des siècles, l'idée de l'atome a créé sa propre place dans le monde de la science.

L'atome n'est plus indivisible

Les idées des philosophes grecs sur la structure de la matière sont restées vraies pendant des centaines d'années, jusqu'à ce qu'un chimiste et enseignant anglais nommé John Dalton (1776-1844) publie les résultats de ses expériences en 1808.

Dalton a convenu que les éléments sont constitués de particules extrêmement petites, appelées atomes. Mais il est allé plus loin en affirmant que tous les atomes d'un même élément sont égaux, ont la même taille, la même masse et les mêmes propriétés chimiques, ce qui les fait rester inchangés lors d'une réaction chimique.

Il s'agit du premier modèle atomique scientifiquement fondé. Comme les Grecs, Dalton considérait toujours l'atome comme indivisible, donc dépourvu de structure. Cependant, le génie de Dalton l'a amené à observer l'un des grands principes de conservation de la physique:

• Dans les réactions chimiques, les atomes ne sont ni créés ni détruits, ils changent seulement leur distribution.

Et il a établi la manière dont les composés chimiques sont formés par des «atomes composés» (molécules):

• Lorsque deux atomes ou plus d'éléments différents se combinent pour former le même composé, ils le font toujours dans des proportions de masse définies et constantes.

Le 19e siècle a été le grand siècle de l'électricité et du magnétisme. Quelques années après les publications de Dalton, les résultats de certaines expériences mettent en doute les scientifiques sur l'indivisibilité de l'atome.

Tube de Crookes

Le tube de Crookes était un appareil conçu par le chimiste et météorologue britannique William Crookes (1832-1919). L'expérience que Crookes a menée en 1875 consistait à placer, à l'intérieur d'un tube rempli de gaz à basse pression, deux électrodes, l'une appelée la cathode et l'autre appelée l'anode.

En établissant une différence de potentiel entre les deux électrodes, le gaz a brillé d'une couleur caractéristique du gaz utilisé. Ce fait suggérait qu'il y avait une certaine organisation particulière au sein de l'atome et que, par conséquent, elle n'était pas indivisible.

De plus, ce rayonnement produisait une faible fluorescence sur la paroi du tube de verre devant la cathode, découpant l'ombre d'une marque en forme de croix située à l'intérieur du tube.

C'était un rayonnement mystérieux connu sous le nom de "rayons cathodiques", qui voyageait en ligne droite jusqu'à l'anode et était très énergétique, capable de produire des effets mécaniques, et qui était dévié vers une plaque chargée positivement ou également à travers des aimants.

La découverte de l'électron

Le rayonnement à l'intérieur du tube de Crookes ne pouvait pas être des ondes, car il transportait une charge négative. Joseph John Thomson (1856-1940) a trouvé la réponse en 1887 quand il a trouvé la relation entre la charge et la masse de ce rayonnement, et a constaté que c'était toujours la même: 1,76 x 10 ¹¹ C / Kg., Indépendamment du gaz enfermé dans le tube ou le matériau utilisé pour fabriquer la cathode.

Thomson a appelé ces particules corpuscules. En mesurant sa masse par rapport à sa charge électrique, il a conclu que chaque corpuscule était beaucoup plus petit qu'un atome. Par conséquent, il a suggéré qu'ils devraient en faire partie, découvrant ainsi l'électron.

Le scientifique britannique a été le premier à esquisser un modèle graphique de l'atome, en dessinant une sphère avec des points insérés, qui, en raison de sa forme, a reçu le surnom de «pudding de prune». Mais cette découverte a soulevé d'autres questions:

• Si la matière est neutre et que l'électron a une charge négative: où se trouve dans l'atome la charge positive qui neutralise les électrons?
• Si la masse de l'électron est inférieure à celle de l'atome, alors en quoi consiste le reste de l'atome?
• Pourquoi les particules ainsi obtenues étaient-elles toujours des électrons et jamais d'un autre type?

Expériences de diffusion de Rutherford: le noyau atomique et le proton

En 1898, Rutherford avait identifié deux types de rayonnement de l'uranium, qu'il appela alpha et bêta.

La radioactivité naturelle avait déjà été découverte par Marie Curie en 1896. Les particules alpha sont chargées positivement et ne sont que des noyaux d'hélium, mais à cette époque le concept de noyau n'était pas encore connu. Rutherford était sur le point de le découvrir.

Une des expériences que Rutherford a menée en 1911 à l'Université de Manchester, avec l'aide de Hans Geiger, consistait à bombarder une fine feuille d'or avec des particules alpha dont la charge est positive. Autour de la feuille d'or, il a placé un écran fluorescent qui leur a permis de visualiser les effets du bombardement.

Observations

En étudiant les impacts sur l'écran fluorescent, Rutherford et ses assistants ont observé que:

1. Un pourcentage très élevé de particules alpha a traversé la feuille sans déviation notable.
2. Certains ont dévié à des angles assez raides
3. Et très peu ont rebondi tout le chemin du retour

Expériences de diffusion de Rutherford. La source:.

Les observations 2 et 3 ont surpris les chercheurs et les ont amenés à supposer que la personne responsable de la diffusion des rayons doit avoir une charge positive et qu'en vertu de l'observation numéro 1, cette personne responsable était beaucoup plus petite que celle des particules alpha..

Rutherford lui-même a dit à ce sujet que c'était "… comme si vous tiriez un projectile naval de 15 pouces sur une feuille de papier et que le projectile rebondissait et vous frappait." Cela ne pouvait certainement pas être expliqué par le modèle de Thompson.

Analysant ses résultats du point de vue classique, Rutherford avait découvert l'existence du noyau atomique, où se concentrait la charge positive de l'atome, ce qui lui conférait sa neutralité.

Rutherford a poursuivi ses expériences de diffusion. En 1918, la nouvelle cible des particules alpha était les atomes d'azote gazeux.

De cette façon, il détecta des noyaux d'hydrogène et sut immédiatement que le seul endroit d'où ces noyaux pouvaient provenir était l'azote lui-même. Comment était-il possible que les noyaux d'hydrogène fassent partie de l'azote?

Rutherford a alors suggéré que le noyau d'hydrogène, un élément auquel le numéro atomique 1 avait déjà été attribué, devait être une particule fondamentale. Il l'a appelé proton, un mot grec pour le premier. Ainsi, les découvertes du noyau atomique et du proton sont dues à ce brillant néo-zélandais.

Le modèle atomique de Rutherford postule

Le nouveau modèle était très différent du Thompson. Voici ses postulats:

• L'atome contient un noyau chargé positivement, qui, bien qu'il soit très petit, contient presque toute la masse de l'atome.
• Les électrons gravitent autour du noyau atomique à de grandes distances et sur des orbites circulaires ou elliptiques.
• La charge nette de l'atome est nulle, car les charges des électrons compensent la charge positive présente dans le noyau.

Les calculs de Rutherford pointaient vers un noyau de forme sphérique et de rayon aussi petit que ^10-15 m, la valeur du rayon atomique étant environ 100000 fois plus grande, puisque les noyaux sont relativement éloignés: de l'ordre de ^10-10 m.

Jeune Ernest Rutherford. Source: Inconnu, publié en 1939 à Rutherford: étant la vie et les lettres du très honorable Lord Rutherford, O. M

Cela explique pourquoi la plupart des particules alpha traversaient la feuille sans à-coups ou n'avaient que très peu de déflexion.

Vu à l'échelle des objets du quotidien, l'atome de Rutherford serait composé d'un noyau de la taille d'une balle de baseball, alors que le rayon atomique serait d'environ 8 km. Par conséquent, l'atome peut être considéré presque tout comme un espace vide.

Grâce à sa ressemblance avec un système solaire miniature, il est devenu connu sous le nom de «modèle planétaire de l'atome». La force d'attraction électrostatique entre le noyau et les électrons serait analogue à l'attraction gravitationnelle entre le soleil et les planètes.

Limites

Cependant, il y avait certains désaccords concernant certains faits observés:

• Si l'idée que l'électron orbite autour du noyau est acceptée, il arrive que l'électron émette continuellement un rayonnement jusqu'à ce qu'il entre en collision avec le noyau, avec la destruction conséquente de l'atome en bien moins d'une seconde. Ce n'est heureusement pas ce qui se passe réellement.
• De plus, à certaines occasions, l'atome émet certaines fréquences de rayonnement électromagnétique lorsqu'il y a des transitions entre un état d'énergie plus élevée et un état d'énergie plus faible, et seulement ces fréquences, pas d'autres. Comment expliquer le fait que l'énergie est quantifiée?

Malgré ces limitations, puisqu'il existe aujourd'hui des modèles beaucoup plus sophistiqués en phase avec les faits observés, le modèle atomique de Rutherford est toujours utile pour que l'étudiant ait une première approche réussie de l'atome et de ses particules constitutives.

Dans ce modèle de l'atome, le neutron n'apparaît pas, autre constituant du noyau, qui n'a été découvert qu'en 1932.

Peu de temps après que Rutherford ait proposé son modèle planétaire, en 1913 le physicien danois Niels Bohr le modifiera pour expliquer pourquoi l'atome n'est pas détruit et nous sommes toujours là pour raconter cette histoire.

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Références

1. Rex, A. 2011. Fondamentaux de la physique. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Notes de cours pour la chaire de radiobiologie et radioprotection. École de santé publique de l'Université centrale du Venezuela.