Tous la matière est composée d’atomes. C’est quelque chose que nous prenons maintenant comme une donnée, et l’une des choses que vous apprenez dès le début des cours de chimie au lycée ou au secondaire. Malgré cela, nos idées sur ce qu’est un atome sont étonnamment récentes: il y a à peine cent ans, les scientifiques discutaient encore de ce à quoi ressemblait exactement un atome. Ce graphique jette un regard sur les modèles clés proposés pour l’atome, et comment ils ont changé au fil du temps.

Bien que notre graphique commence dans les années 1800, l’idée des atomes existait bien avant. En fait, il faut remonter jusqu’à la Grèce antique pour trouver sa genèse. Le mot « atome » vient en fait du grec ancien et se traduit grossièrement par « indivisible ». La théorie grecque antique a été attribuée à plusieurs érudits différents, mais est le plus souvent attribuée à Démocrite (460-370 avant JC) et à son mentor Leucippe. Bien que leurs idées sur les atomes soient rudimentaires par rapport à nos concepts d’aujourd’hui, ils ont exposé l’idée que tout est fait d’atomes, de sphères invisibles et indivisibles de matière de type et de nombre infinis.

Ces chercheurs ont imaginé que les atomes avaient une forme variable en fonction du type d’atome. Ils ont envisagé que les atomes de fer avaient des crochets qui les verrouillaient ensemble, expliquant pourquoi le fer était un solide à température ambiante. Les atomes d’eau étaient lisses et glissants, expliquant pourquoi l’eau était un liquide à température ambiante et pouvait être versée. Bien que nous sachions maintenant que ce n’est pas le cas, leurs idées ont jeté les bases des futurs modèles atomiques.

Cependant, il fallut attendre longtemps avant que ces fondations ne soient construites. Ce n’est qu’en 1803 que le chimiste anglais John Dalton a commencé à développer une définition plus scientifique de l’atome. Il s’est inspiré des idées des Anciens Grecs pour décrire les atomes comme de petites sphères dures indivisibles, et que les atomes d’un élément donné sont identiques les uns aux autres. Ce dernier point est à peu près toujours vrai, à l’exception notable des isotopes de différents éléments, qui diffèrent par leur nombre de neutrons. Cependant, puisque le neutron ne serait découvert qu’en 1932, nous pouvons probablement pardonner à Dalton cet oubli. Il a également proposé des théories sur la façon dont les atomes se combinent pour former des composés, et a également proposé le premier ensemble de symboles chimiques pour les éléments connus.

Les grandes lignes de la théorie atomique de Dalton étaient un début, mais cela ne nous en disait toujours pas grand-chose sur la nature des atomes eux-mêmes. Ce qui a suivi a été une autre accalmie plus courte où notre connaissance des atomes n’a pas beaucoup progressé. Il y a eu quelques tentatives pour définir à quoi pourraient ressembler les atomes, comme la suggestion de Lord Kelvin selon laquelle ils pourraient avoir une structure semblable à un vortex, mais ce n’est qu’après le tournant du 20ème siècle que les progrès sur l’élucidation de la structure atomique ont vraiment commencé à s’accélérer.

La première percée a eu lieu à la fin des années 1800 lorsque le physicien anglais Joseph John (JJ) Thomson a découvert que l’atome n’était pas aussi indivisible que ce qui avait été affirmé précédemment. Il a effectué des expériences en utilisant des rayons cathodiques produits dans un tube à décharge et a constaté que les rayons étaient attirés par des plaques métalliques chargées positivement mais repoussés par des plaques chargées négativement. Il en a déduit que les rayons doivent être chargés négativement.

En mesurant la charge des particules dans les rayons, il a pu en déduire qu’elles étaient deux mille fois plus légères que l’hydrogène, et en changeant le métal dont était faite la cathode, il a pu constater que ces particules étaient présentes dans de nombreux types d’atomes. Il avait découvert l’électron (bien qu’il l’ait appelé un « corpuscule ») et montré que les atomes n’étaient pas indivisibles, mais avaient des parties constitutives plus petites. Cette découverte lui vaudra un prix Nobel en 1906.

En 1904, il propose son modèle de l’atome basé sur ses découvertes. Surnommé « Le modèle du Pudding aux prunes » (mais pas par Thomson lui-même), il envisageait l’atome comme une sphère de charge positive, avec des électrons éparpillés comme des prunes dans un pudding. Les scientifiques avaient commencé à scruter les entrailles de l’atome, mais le modèle de Thomson ne traînerait pas longtemps – et c’est l’un de ses étudiants qui a fourni les preuves pour le consigner dans l’histoire.

Ernest Rutherford était un physicien néo-zélandais qui a étudié à l’Université de Cambridge sous la direction de Thomson. Ce sont ses travaux ultérieurs à l’Université de Manchester qui fourniront des informations supplémentaires sur l’intérieur d’un atome. Ce travail est venu après qu’il avait déjà reçu un prix Nobel en 1908 pour ses recherches sur la chimie des substances radioactives.

Rutherford a conçu une expérience pour sonder la structure atomique qui impliquait de tirer des particules alpha chargées positivement sur une fine feuille d’or. Les particules alpha étaient si petites qu’elles pouvaient traverser la feuille d’or, et selon le modèle de Thomson qui montrait la charge positive diffusée sur tout l’atome, elles devraient le faire avec peu ou pas de déflexion. En réalisant cette expérience, il espérait pouvoir confirmer le modèle de Thomson, mais il a fini par faire exactement le contraire.

Au cours de l’expérience, la plupart des particules alpha ont traversé la feuille avec peu ou pas de déflexion. Cependant, un très petit nombre de particules ont été déviées de leur trajectoire d’origine à de très grands angles. C’était complètement inattendu; comme Rutherford l’a lui-même observé, « C’était presque aussi incroyable que si vous tiriez un obus de 15 pouces sur un morceau de papier de soie et qu’il revenait et vous frappait”. La seule explication possible était que la charge positive n’était pas répartie dans tout l’atome, mais concentrée dans un petit centre dense: le noyau. La majeure partie du reste de l’atome était simplement un espace vide.

La découverte du noyau par Rutherford signifiait que le modèle atomique devait être repensé. Il a proposé un modèle où les électrons orbitent autour du noyau chargé positivement. Bien qu’il s’agisse d’une amélioration par rapport au modèle de Thomson, cela n’expliquait pas ce qui maintenait les électrons en orbite au lieu de simplement passer en spirale dans le noyau.

Entrez Niels Bohr. Bohr était un physicien danois qui s’est mis à essayer de résoudre les problèmes avec le modèle de Rutherford. Il s’est rendu compte que la physique classique ne pouvait pas expliquer correctement ce qui se passait au niveau atomique; au lieu de cela, il a invoqué la théorie quantique pour essayer d’expliquer la disposition des électrons. Son modèle postule l’existence de niveaux d’énergie ou de coquilles d’électrons. Les électrons ne pouvaient être trouvés que dans ces niveaux d’énergie spécifiques; en d’autres termes, leur énergie était quantifiée et ne pouvait prendre n’importe quelle valeur. Les électrons pouvaient se déplacer entre ces niveaux d’énergie (appelés par Bohr « états stationnaires »), mais devaient le faire en absorbant ou en émettant de l’énergie.

La suggestion de Bohr de niveaux d’énergie stables a abordé le problème de la spirale des électrons dans le noyau dans une certaine mesure, mais pas entièrement. Les raisons exactes ne sont guère plus complexes que ce que nous allons discuter ici, car nous entrons dans le monde complexe de la mécanique quantique; et comme Bohr lui-même l’a dit, « Si la mécanique quantique ne vous a pas profondément choqué, vous ne l’avez pas encore compris”. En d’autres termes, ça devient un peu bizarre.

Le modèle de Bohr n’a pas résolu tous les problèmes du modèle atomique. Cela fonctionnait bien pour les atomes d’hydrogène, mais ne pouvait pas expliquer les observations d’éléments plus lourds. Il viole également le principe d’incertitude de Heisenberg, l’une des pierres angulaires de la mécanique quantique, qui stipule que nous ne pouvons pas connaître à la fois la position exacte et l’élan d’un électron. Pourtant, ce principe n’a été postulé que plusieurs années après que Bohr a proposé son modèle. Malgré tout cela, celui de Bohr reste probablement le modèle de l’atome que vous connaissez le plus, car c’est souvent celui qui a été introduit pour la première fois lors des cours de chimie au lycée ou au secondaire. Il a encore ses utilisations aussi; c’est très pratique pour expliquer la liaison chimique et la réactivité de certains groupes d’éléments à un niveau simple.

En tout cas, le modèle a encore besoin d’être affiné. À ce stade, de nombreux scientifiques étudiaient et essayaient de développer le modèle quantique de l’atome. Parmi ceux-ci, le physicien autrichien Erwin Schrödinger, dont vous avez probablement déjà entendu parler (c’est le gars avec le chat et la boîte). En 1926, Schrödinger a proposé que, plutôt que les électrons se déplaçant sur des orbites fixes ou des coquilles, les électrons se comportent comme des ondes. Cela semble un peu bizarre, mais vous vous souvenez probablement déjà que la lumière peut se comporter à la fois comme une onde et comme une particule (ce qu’on appelle une dualité onde-particule), et il s’avère que les électrons le peuvent aussi.

Schrödinger a résolu une série d’équations mathématiques pour créer un modèle de distribution des électrons dans un atome. Son modèle montre le noyau environnant par des nuages de densité électronique. Ces nuages sont des nuages de probabilité; bien que nous ne sachions pas exactement où se trouvent les électrons, nous savons qu’ils sont susceptibles d’être trouvés dans des régions données de l’espace. Ces régions de l’espace sont appelées orbitales électroniques. Il est peut-être compréhensible que les cours de chimie au lycée ne mènent pas directement avec ce modèle, bien que ce soit le modèle accepté aujourd’hui, car il faut un peu plus de temps pour se faire la tête!

Schrödinger n’avait pas tout à fait le dernier mot sur l’atome. En 1932, le physicien anglais James Chadwick (un étudiant d’Ernest Rutherford) a découvert l’existence du neutron, complétant notre image des particules subatomiques qui composent un atome. L’histoire ne s’arrête pas là non plus; les physiciens ont depuis découvert que les protons et les neutrons qui composent le noyau sont eux-mêmes divisibles en particules appelées quarks – mais cela dépasse le cadre de cet article! En tout cas, l’atome nous donne un excellent exemple de la façon dont les modèles scientifiques peuvent changer au fil du temps, et montre comment de nouvelles preuves peuvent conduire à de nouveaux modèles.

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