Le modèle de Bohr, introduit par le physicien danois Niels Bohr en 1913, a été une étape clé sur le chemin de la compréhension des atomes.
Les penseurs de la Grèce antique croyaient déjà que la matière était composée de minuscules particules de base qui ne pouvaient pas être divisées davantage. Il a fallu plus de 2 000 ans pour que la science progresse suffisamment pour prouver que cette théorie était juste. Le voyage vers la compréhension des atomes et leur fonctionnement interne était long et compliqué.
C’est le chimiste britannique John Dalton qui, au début du XIXe siècle, a ravivé les idées des anciens Grecs selon lesquelles la matière était composée de minuscules particules indivisibles appelées atomes. Dalton croyait que chaque élément chimique se composait d’atomes de propriétés distinctes qui pouvaient être combinés en divers composés, selon Britannique.
Les théories de Dalton étaient correctes à bien des égards, mis à part cette prémisse de base selon laquelle les atomes étaient le plus petit composant de la matière qui ne pouvait être décomposé en quoi que ce soit de plus petit. Environ cent ans après Dalton, les physiciens ont commencé à découvrir que l’atome était, en fait, très complexe à l’intérieur.
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Le modèle de Bohr : Voyage pour trouver la structure des atomes
Le physicien britannique Joseph John Thomson a fait la première percée majeure dans la compréhension des atomes en 1897 lorsqu’il a découvert que les atomes contenaient de minuscules particules chargées négativement qu’il a appelées électrons. Thomson pensait que les électrons flottaient dans une “soupe” chargée positivement à l’intérieur de la sphère atomique, selon Académie Khan.
14 ans plus tard, Ernest Rutherford, né en Nouvelle-Zélande, ancien élève de Thomson, a contesté cette représentation de l’atome lorsqu’il a découvert dans des expériences que l’atome devait avoir un petit noyau chargé positivement assis en son centre.
Sur la base de cette découverte, Rutherford a ensuite développé un nouveau modèle d’atome, le modèle de Rutherford. Selon ce modèle, l’atome n’était plus constitué uniquement d’électrons flottant dans une soupe, mais avait un minuscule noyau central, qui contenait la majeure partie de la masse de l’atome. Autour de ce noyau, les électrons tournaient de la même manière que les planètes en orbite le soleil dans notre système solaireselon Britannique.
Certaines questions sont cependant restées sans réponse. Par exemple, comment était-il possible que les électrons ne s’effondrent pas sur le noyau, puisque leur charge opposée signifierait qu’ils devraient être attirés vers lui ? Plusieurs physiciens ont tenté de répondre à cette question, dont l’étudiant de Rutherford, Niels Bohr.
Niels Bohr et la théorie quantique
Bohr a été le premier physicien à s’intéresser à la théorie des quanta tenter d’expliquer le comportement des particules à l’intérieur du plus simple de tous les atomes ; l’atome d’hydrogène. Les atomes d’hydrogène sont constitués d’un noyau lourd avec un proton chargé positivement autour duquel tourne un électron unique, beaucoup plus petit et plus léger, chargé négativement. L’ensemble du système ressemble un peu au soleil avec une seule planète en orbite autour de lui.
Bohr a tenté d’expliquer le lien entre la distance de l’électron au noyau, l’énergie de l’électron et la lumière absorbée par l’atome d’hydrogène, en utilisant une grande nouveauté de la physique de cette époque : la constante de Planck.
La constante de Planck est le résultat de l’enquête du physicien allemand Max Planck sur les propriétés du rayonnement électromagnétique d’un objet parfait hypothétique appelé le corps noir.
Étrangement, Planck a découvert que ce rayonnement, y compris la lumière, n’est pas émis dans un continuum mais plutôt dans des paquets discrets d’énergie qui ne peuvent être que des multiples d’une certaine valeur fixe, selon Monde de la physique.Cette valeur fixe est devenue la constante de Planck. Max Planck a appelé ces paquets de quanta d’énergie, donnant un nom au tout nouveau type de physique qui devait bouleverser la compréhension des scientifiques de notre monde.
Le modèle de Bohr et l’atome d’hydrogène
Quel rôle joue la constante de Planck dans l’atome d’hydrogène ? Malgré la belle comparaison, l’atome d’hydrogène n’est pas exactement comme le système solaire. L’électron ne tourne pas autour de son soleil – le noyau – à une distance fixe, mais peut sauter entre différentes orbites en fonction de la quantité d’énergie qu’il transporte, a postulé Bohr. Il peut orbiter à la distance de Mercurepuis passez à la terrepuis à mars.
L’électron ne glisse pas progressivement entre les orbites, mais fait des sauts discrets lorsqu’il atteint le niveau d’énergie correct, tout à fait conforme à la théorie de Planck, explique le physicien Ali Hayek sur son Chaîne Youtube.
Bohr croyait qu’il y avait un nombre fixe d’orbites dans lesquelles l’électron pouvait voyager. Lorsque l’électron absorbe de l’énergie, il saute vers une couche orbitale supérieure. Lorsqu’il perd de l’énergie en l’irradiant, il tombe sur une orbite plus basse. Si l’électron atteint la couche orbitale la plus élevée et continue d’absorber de l’énergie, il s’envolera complètement hors de l’atome.
Le rapport entre l’énergie de l’électron et la fréquence du rayonnement qu’il émet est égal à la constante de Planck. L’énergie de la lumière émise ou absorbée est exactement égale à la différence entre les énergies des orbites et est inversement proportionnelle à la longueur d’onde de la lumière absorbée par l’électron, selon Ali Hayek.
À l’aide de son modèle, Bohr a pu calculer les raies spectrales – les raies du spectre continu de la lumière – que les atomes d’hydrogène absorberaient.
Les lacunes du modèle de Bohr
Le modèle de Bohr semblait plutôt bien fonctionner pour les atomes à un seul électron. Mais à part l’hydrogène, tous les autres atomes du tableau périodique ont plus, certains beaucoup plus, d’électrons en orbite autour de leurs noyaux. Par exemple, l’atome d’oxygène a huit électrons, l’atome de fer a 26 électrons.
Une fois que Bohr a essayé d’utiliser son modèle pour prédire les raies spectrales d’atomes plus complexes, les résultats sont devenus progressivement faussés.
Il y a deux raisons pour lesquelles le modèle de Bohr ne fonctionne pas pour les atomes avec plus d’un électron, selon le Canal Chimie. Premièrement, l’interaction de plusieurs atomes rend leur structure énergétique plus difficile à prédire.
Le modèle de Bohr n’a pas non plus pris en compte certains des principes clés de la physique quantique, surtout le fait étrange et ahurissant que les particules sont aussi des ondes, selon le site Web éducatif. Académie Khan.
En raison de la mécanique quantique, le mouvement des électrons autour du noyau ne peut pas être prédit avec précision. Il est impossible de déterminer la vitesse et la position d’un électron à un moment donné. Les coquilles dans lesquelles orbitent ces électrons ne sont donc pas de simples lignes mais plutôt des nuages diffus, moins définis.
Quelques années seulement après la publication du modèle, les physiciens ont commencé à améliorer le travail de Bohr sur la base des principes nouvellement découverts du comportement des particules. Finalement, le modèle de mécanique quantique beaucoup plus compliqué a émergé, remplaçant le modèle de Bohr. Mais parce que les choses deviennent beaucoup moins nettes lorsque tous les principes quantiques sont en place, le modèle de Bohr est probablement encore la première chose que la plupart des étudiants en physique découvrent dans leur quête pour comprendre ce qui régit la matière dans le micromonde.
Ressources supplémentaires:
En savoir plus sur le modèle de l’atome de Bohr sur le site Web du Association nationale de l’enseignement des sciences ou regarde ça vidéo.
Bibliographie
Heilbron, JL, Rutherford – Atome de Bohr, American Journal of Physics 49, 1981 https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.12521
Olszewski, Stanisław, Le modèle de Bohr de l’atome d’hydrogène revisité, Reviews in Theoretical Science, Volume 4, Numéro 4, décembre 2016 https://www.ingentaconnect.com/contentone/asp/rits/2016/00000004/00000004/art00003
Kraghm Helge, Niels Bohr entre physique et chimie, Physics Today, 2013 http://materias.df.uba.ar/f4Aa2013c2/files/2012/08/bohr2.pdf
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