MODÈLE ATOMIQUE DE THOMSON: CARACTÉRISTIQUES, POSTULATS, PARTICULES SUBATOMIQUES - PHYSIQUE - 2024

Le modèle atomique de Thomson a été créé par le célèbre physicien anglais JJ Thomson, qui a découvert l'électron. Pour cette découverte et ses travaux sur la conduction électrique dans les gaz, il a reçu le prix Nobel de physique en 1906.

De son travail avec les rayons cathodiques, il est devenu clair que l'atome n'était pas une entité indivisible, comme Dalton l'avait postulé dans le modèle précédent, mais contenait une structure interne bien définie.

Thomson a fait un modèle de l'atome basé sur les résultats de ses expériences avec les rayons cathodiques. Il y déclara que l'atome électriquement neutre était composé de charges positives et négatives de même ampleur.

Comment s'appelait le modèle atomique de Thomson et pourquoi?

Selon Thomson, la charge positive était distribuée dans tout l'atome et les charges négatives y étaient incorporées comme s'il s'agissait de raisins secs dans un pudding. De cette comparaison est venu le terme «pudding aux raisins secs», comme le modèle était officieusement connu.

Joseph John Thomson

Bien que l'idée de Thomson semble assez primitive aujourd'hui, elle représentait à l'époque une contribution nouvelle. Pendant la courte durée de vie du modèle (de 1904 à 1910), il a eu le soutien de nombreux scientifiques, bien que beaucoup d'autres le considéraient comme une hérésie.

Enfin, en 1910, de nouvelles preuves ont émergé sur la structure atomique et le modèle de Thomson est rapidement tombé sur le côté. Cela s'est produit dès que Rutherford a publié les résultats de ses expériences de diffusion, qui ont révélé l'existence du noyau atomique.

Cependant, le modèle de Thomson fut le premier à postuler l'existence de particules subatomiques et ses résultats furent le fruit d'une expérimentation fine et rigoureuse. De cette façon, il a créé le précédent pour toutes les découvertes qui ont suivi.

Caractéristiques et postulats du modèle Thomson

Thomson est arrivé à son modèle atomique basé sur plusieurs observations. La première était que les rayons X nouvellement découverts par Roentgen étaient capables d'ioniser les molécules d'air. Jusque-là, le seul moyen d'ioniser était de séparer chimiquement les ions en solution.

Mais le physicien anglais a réussi à ioniser avec succès même des gaz monatomiques tels que l'hélium, au moyen de rayons X. Cela l'a amené à croire que la charge à l'intérieur de l'atome pouvait être séparée, et n'était donc pas indivisible. Il a également observé que les rayons cathodiques ils pourraient être déviés par des champs électriques et magnétiques.

JJ Thomson, découvreur de l'électron. Source: Lifeder.

Thomson a donc conçu un modèle qui expliquait correctement le fait que l'atome est électriquement neutre et que les rayons cathodiques sont composés de particules chargées négativement.

En utilisant des preuves expérimentales, Thomson a caractérisé l'atome comme suit:

-L'atome est une sphère solide électriquement neutre, avec un rayon approximatif de ^10-10 m.

-La charge positive est répartie plus ou moins uniformément dans toute la sphère.

-L'atome contient des "corpuscules" chargés négativement, qui assurent sa neutralité.

-Ces corpuscules sont les mêmes pour toute la matière.

-Lorsque l'atome est en équilibre, il y a n corpuscules régulièrement disposés en anneaux dans la sphère de charge positive.

-La masse de l'atome est uniformément répartie.

Rayons cathodiques

Le faisceau d'électrons est dirigé de la cathode vers l'anode.

Thomson a mené ses expériences en utilisant les rayons cathodiques, découverts en 1859. Les rayons cathodiques sont des faisceaux de particules chargées négativement. Pour les produire, des tubes en verre sous vide sont utilisés, dans lesquels sont placées deux électrodes, appelées cathode et anode.

Un courant électrique est alors passé qui chauffe la cathode, qui de cette manière émet un rayonnement invisible qui est dirigé directement vers l'électrode opposée.

Pour détecter un rayonnement, qui n'est autre que des rayons cathodiques, la paroi du tube derrière l'anode est recouverte d'un matériau fluorescent. Lorsque le rayonnement y parvient, la paroi du tube dégage une luminosité intense.

Si un objet solide gêne les rayons cathodiques, il projette une ombre sur la paroi du tube. Cela indique que les rayons voyagent en ligne droite et qu'ils peuvent également être facilement bloqués.

La nature des rayons cathodiques a été largement discutée, car leur nature était inconnue. Certains pensaient qu'il s'agissait d'ondes de type électromagnétique, tandis que d'autres soutenaient qu'il s'agissait de particules.

Particules subatomiques du modèle atomique de Thomson

Le modèle atomique de Thomson est, comme nous l'avons dit, le premier à postuler l'existence de particules subatomiques. Les corpuscules de Thomson ne sont rien d'autre que des électrons, les particules fondamentales chargées négativement de l'atome.

Nous savons maintenant que les deux autres particules fondamentales sont le proton chargé positivement et le neutron non chargé.

Mais ceux-ci n'ont pas été découverts au moment où Thomson a développé son modèle. La charge positive de l'atome y était distribuée, il ne considérait aucune particule comme porteuse de cette charge et pour le moment il n'y avait aucune preuve de son existence.

Pour cette raison, son modèle a eu une existence éphémère, car au cours de quelques années, les expériences de diffusion de Rutherford ont ouvert la voie à la découverte du proton. Et comme pour le neutron, Rutherford lui-même a proposé son existence quelques années avant qu'il ne soit finalement découvert.

Tube de Crookes

Sir William Crookes (1832-1919) a conçu le tube qui porte son nom vers 1870, avec l'intention d'étudier attentivement la nature des rayons cathodiques. Il a ajouté des champs électriques et des champs magnétiques, et a observé que les rayons étaient déviés par eux.

Schéma de tube cathodique. Source: Knight, R.

De cette manière, Crookes et d'autres chercheurs, dont Thomson, ont découvert que:

1. Un courant électrique a été généré à l'intérieur du tube cathodique
2. Les rayons étaient déviés par la présence de champs magnétiques, de la même manière que les particules chargées négativement.
3. Tout métal utilisé pour fabriquer la cathode était tout aussi bon pour produire des rayons cathodiques, et leur comportement était indépendant du matériau.

Ces observations ont alimenté la discussion sur l'origine des rayons cathodiques. Ceux qui soutenaient qu'il s'agissait d'ondes se fondaient sur le fait que les rayons cathodiques pouvaient voyager en ligne droite. De plus, cette hypothèse expliquait très bien l'ombre qu'un objet solide interposé projetait sur la paroi du tube et dans certaines circonstances, on savait que les ondes pouvaient provoquer de la fluorescence.

Mais au lieu de cela, on n'a pas compris comment il était possible pour les champs magnétiques de dévier les rayons cathodiques. Cela ne pourrait s'expliquer que si ces rayons étaient considérés comme des particules, hypothèse partagée par Thomson.

Particules chargées dans des champs électriques et magnétiques uniformes

Une particule chargée de charge q subit une force Fe au milieu d'un champ électrique uniforme E, de grandeur:

Fe = qE

Lorsqu'une particule chargée traverse perpendiculairement un champ électrique uniforme, tel que celui produit entre deux plaques de charges opposées, elle subit une déflexion, et par conséquent une accélération:

qE = ma

a = qE / m

En revanche, si la particule chargée se déplace avec une vitesse de magnitude v, au milieu d'un champ magnétique uniforme de magnitude B, la force magnétique Fm qu'elle subit a l'intensité suivante:

Fm = qvB

Tant que les vecteurs vitesse et champ magnétique sont perpendiculaires. Lorsqu'une particule chargée est perpendiculaire à un champ magnétique homogène, elle subit également une déflexion et son mouvement est circulaire uniforme.

L'accélération centripète a _c dans ce cas est:

qvB = ma _c

À son tour, l'accélération centripète est liée à la vitesse de la particule v et au rayon R de la trajectoire circulaire:

un _c = v ² / R

Donc:

qvB = mv ² / R

Le rayon de la trajectoire circulaire peut être calculé comme suit:

R = mv / qB

Plus tard, ces équations seront utilisées pour recréer la façon dont Thomson a dérivé la relation charge-masse de l'électron.

L'expérience de Thomson

Thomson a fait passer un faisceau de rayons cathodiques, un faisceau d'électrons, bien qu'il ne le sache pas encore, à travers des champs électriques uniformes. Ces champs sont créés entre deux plaques conductrices chargées séparées par une petite distance.

Il a également fait passer des rayons cathodiques à travers un champ magnétique uniforme, observant l'effet que cela avait sur le faisceau. Dans un champ comme dans l'autre, il y avait une déviation des rayons, ce qui a conduit Thomson à penser, correctement, que le faisceau était composé de particules chargées.

Pour vérifier cela, Thomson a mis en œuvre plusieurs stratégies avec les rayons cathodiques:

1. Il a fait varier les champs électriques et magnétiques jusqu'à ce que les forces s'annulent. De cette manière, les rayons cathodiques ont traversé sans subir de déviation. En assimilant les forces électriques et magnétiques, Thomson a pu déterminer la vitesse des particules dans le faisceau.
2. Il annulait l'intensité du champ électrique, de cette manière les particules suivaient un chemin circulaire au milieu du champ magnétique.
3. Il a combiné les résultats des étapes 1 et 2 pour déterminer la relation charge-masse des «corpuscules».

Le rapport charge-masse de l'électron

Thomson a déterminé que le rapport charge-masse des particules qui composaient le faisceau de rayons cathodiques avait la valeur suivante:

q / m = 1,758820 x 10 11 C.kg-1.

Où q représente la charge du «corpuscule», qui est en fait l'électron, et m sa masse. Thomson a suivi la procédure décrite dans la section précédente, que nous recréons ici pas à pas, avec les équations qu'il a utilisées.

Lorsque les rayons cathodiques traversent les champs électriques et magnétiques croisés, ils passent sans déviation. Lorsque le champ électrique est annulé, ils frappent la partie supérieure du tube (le champ magnétique est indiqué par les points bleus entre les électrodes). Source: Knight, R.

Étape 1

Égalisez la force électrique et la force magnétique en faisant passer le faisceau à travers les champs électriques et magnétiques perpendiculaires:

qvB = qE

Étape 2

Déterminez la vitesse acquise par les particules du faisceau lorsqu'elles passent directement sans déviation:

v = E / B

Étape 3

Annulez le champ électrique en ne laissant que le champ magnétique (maintenant il y a déviation):

R = mv / qB

Avec v = E / B il en résulte:

R = mE / qB ²

Le rayon de l'orbite peut être mesuré, donc:

q / m = v / RB

Ou bien:

q / m = E / RB ²

Prochaines étapes

Thomson a ensuite mesuré le rapport q / m en utilisant des cathodes fabriquées à partir de différents matériaux. Comme mentionné précédemment, tous les métaux émettent des rayons cathodiques avec des caractéristiques identiques.

Puis Thomson a comparé leurs valeurs à celles du rapport q / m de l'ion hydrogène, obtenu par électrolyse et dont la valeur est d'environ 1 x 10 ⁸ C / kg. Le rapport charge-masse de l'électron est environ 1750 fois celui de l'ion hydrogène.

Par conséquent, les rayons cathodiques avaient une charge beaucoup plus grande, ou peut-être une masse bien inférieure à celle de l'ion hydrogène. L'ion hydrogène est simplement un proton, dont l'existence est devenue connue longtemps après les expériences de diffusion de Rutherford.

Aujourd'hui, on sait que le proton est presque 1800 fois plus massif que l'électron et avec une charge de magnitude égale et de signe opposé à celui de l'électron.

Un autre détail important est qu'avec les expériences de Thomson, la charge électrique de l'électron n'a pas été déterminée directement, ni la valeur de sa masse séparément. Ces valeurs ont été déterminées par les expériences Millikan, qui ont débuté en 1906.

Différences entre les modèles de Thomson et Dalton

La différence fondamentale de ces deux modèles est que Dalton pensait que l'atome était une sphère. Contrairement à Thomson, il n'a pas proposé l'existence de charges positives ou négatives. Pour Dalton, un atome ressemblait à ceci:

Atome de Dalton

Comme nous l'avons vu précédemment, Thomson pensait que l'atome était divisible, et dont la structure est formée par une sphère positive et des électrons autour d'elle.

Défauts et limites du modèle

À l'époque, le modèle atomique de Thomson a réussi à très bien expliquer le comportement chimique des substances. Il a également expliqué avec précision les phénomènes qui se sont produits dans le tube à rayons cathodiques.

Mais en fait, Thomson n'a même pas appelé ses particules "électrons", bien que le terme ait déjà été inventé auparavant par George Johnstone Stoney. Thomson les a simplement appelés «corpuscules».

Bien que Thomson ait utilisé toutes les connaissances dont il disposait à l'époque, son modèle présente plusieurs limitations importantes, qui sont devenues apparentes très tôt:

- La charge positive n'est pas distribuée dans tout l'atome. Les expériences de diffusion de Rutherford ont montré que la charge positive de l'atome est nécessairement confinée à une petite région de l'atome, qui devint plus tard connue sous le nom de noyau atomique.

- Les électrons ont une distribution spécifique au sein de chaque atome. Les électrons ne sont pas répartis uniformément, comme les raisins secs dans le célèbre pudding, mais ont plutôt un arrangement en orbitales que les modèles ultérieurs ont révélé.

C'est précisément la disposition des électrons au sein de l'atome qui permet aux éléments d'être organisés en fonction de leurs caractéristiques et propriétés dans le tableau périodique. C'était une limitation importante du modèle Thomson, qui ne pouvait pas expliquer comment il était possible d'ordonner les éléments de cette manière.

- Le noyau atomique est celui qui contient la majeure partie de la masse. Le modèle de Thomson postulait que la masse de l'atome y était uniformément répartie. Mais aujourd'hui, nous savons que la masse de l'atome est pratiquement concentrée dans les protons et neutrons du noyau.

Il est également important de noter que ce modèle de l'atome ne permettait pas de déduire le type de mouvement que les électrons avaient à l'intérieur de l'atome.

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Modèle atomique de Sommerfeld.

Références

1. Andriessen, M. 2001. Cours HSC. Physique 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Physique universitaire. Presse académique.
3. Knight, R. 2017. Physique pour les scientifiques et l'ingénierie: une approche stratégique. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Fondamentaux de la physique. Pearson.
5. Wikipédia. Le modèle atomique de Thomson. Récupéré de: es.wikipedia.org.