Le centre de gravité

de toutes les explications du monde

est un ensemble vide qui provoque chez le savant

l'horreur- horror vacui des anciens -qu'il calme de

son explication du monde.

 

 

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Le modèle planétaire de l' atome :

Fécondité et limites d'une analogie!

Le modèle de Dalton (1803)

La représentation de la matière au cours des âges offre un exemple de la fécondité de la pensée analogique mais aussi de ses limites. Ainsi, reprenant en 1803, les conceptions de Démocrite sur les particules de matières insécables "les atomes", John Dalton adopte celles de Lavoisier afin de décrire les réactions chimiques. Il considère que la matière est faite d'atomes et que lors d'une réaction chimique, ces atomes de forme sphérique pleine peuvent se combiner avec d'autres atomes. Il décrit ainsi le premier modèle historiquement connu sous le nom de "Modèle de Dalton".

Une première modification : Le modèle de Thomson (1904)

En démontrant , d'autre part, que les rayons cathodiques sont les trajectoires de charges négatives en mouvement, Jean Perrin (1870-1942) apporta la première preuve directe de l'existence des électrons, 2000 fois plus légers que l'atome d'hydrogène mais tout de même partie intégrante de la matière. Il écrivait ainsi le premier chapitre de la science de l'électronique. Dès lors, premier Modèle de Dalton, pouvait être modifié grâce aux travaux de Joseph Thomson (1845-1940) qui démontra que ces grains étaient tous identiques quelque soit la matière considérée. En 1904, il propose un premier modèle d'atome, surnommé depuis "le pudding de Thompson".  Il imagine l'atome comme une sphère remplie d'une sustance électriquement positive et fourrée d'électrons négatifs "comme des raisins dans un cake".

 

© L'atome de Thompson

Deuxième modification : le modèle de Rutherford (1912)

Ce modèle fut invalidé en 1911 par l'expérience d'un de ses anciens étudiants, Ernest Rutherford (1871 - 1937). En 1912, il déduit de sa célèbre expérience son modèle planétaire de l'atome

Dispositif expérimental de Rutherford

http://dpnc.unige.ch/tp/rutherford.html

Si l'on place une source radioactive dans un bloc en plomb qui communique avec l'extérieur par un canal étroit, les radiations émises par la source sortent en mince faisceau. Un type déterminé de radiations, les rayons alpha, particules alpha (noyaux d'hélium) de taille bien plus faible que les atomes d'or est constitué d'un flux de petites particules qui constituent des projectiles idéaux pour bombarder les atomes. Une mince feuille en or épaisse d'une centaine de diamètres atomiques (environ 400 nm), est placée dans le faisceau de rayons alpha émis par une source radioactive. Les trajectoires suivies par les particules peuvent être déduites à partir du noircissement que leur impact produit sur un film photographique disposé autour de la feuille en or. On constate que:

 

Les trois réactions aux bombardement de particules alpha.

(http://www.herts.ac.uk/astro_ub/a03_ub.html)

  • la plupart des particules alpha traversent la feuille en or pratiquement en ligne droite ;
  • une faible proportion des projectiles est toutefois fortement déviée,
  • une faible quantité est rejetée en arrière.

Ces faits vont complètement à l'encontre des attentes de E Rutherford. Très surpris, il s'exclame: «C'est aussi peu croyable que si nous avions tiré un obus sur du papier de soie et que l'obus nous soit revenu en pleine figure.» Cette expérience amena Rutherford à concevoir le modèle lacunaire de l'atome :

. comme la plus grande partie des projectiles traversent la cible en ligne droite, Rutherford admit qu'ils n'avaient pas rencontré d'obstacle au passage à travers l'atome.

.la très forte déviation de certaines particules alpha révèle l'existence d'un obstacle massif, mais de très petite dimension à l'intérieur de l'atome : le noyau atomique. Tout comme le noyau de l'atome d'or, les particules alpha sont chargées positivement : elles sont écartées de leur trajectoire initiale d'autant plus qu'elles frôlent le noyau atomique de plus près.

Pour expliquer cette collision élastique, en 1917 Rutherford propose une thèse planétaire de l'atome qui s'articule autour des propriétés électriques de la matière. Celle-ci est rassemblée dans un noyau de très petite dimension, environ 10-14 m de rayon, chargé d'électricité positive autour duquel gravite dans un grand espace vide les électrons négatifs découverts par Thomson

Les électrons de l'atome se déplacent autour de ce noyau tels des planètes autour du Soleil, et la force électrique attractive (la charge - de l'électron attirant la charge + du noyau) joue le rôle de la force de gravitation pour les planètes; d'où le nom de modèle d'atome planétaire. 

Mais beaucoup de lois sont différentes entre ces deux modèles, par exemple lorsqu'un électron se déplace d'une couche électronique à une autre, il se téléporte littéralement sur l'autre couche. Dans le modèle stellaire cela équivaudrait a voir la planète Mars sur son orbite et l'instant d'après sur l'orbite de la Terre!

Si on se base sur le modèle planétaire, il est aussi difficile d'expliquer pourquoi les électrons ne tombent pas sur le noyau, comme le feraient des planètes trop proches de leur étoile..
.

Dans le modèle atomique de Rutherford , l'atome apparaît comme une sphère :

. dont le volume est délimité par le cortège des électrons chargés négativement

. dont la masse est localisée dans un minuscule noyau central chargé positivement Pour expliquer que les électrons de charge négative restent à distance du noyau positif, il faut admettre que les électrons sont animés d'un mouvment de rotation autour du noyau central : la force centrifuge ainsi engendrée équilibre l'attraction entre charges de signes opposés.

C'est le modèle planétaire de l'atome : le noyau étant comparable au soleil et les électrons aux planètes. D'après la proportion des rayons alpha déviés par rapport à ceux qui passent en ligne droite, Rutherford a réussi à déterminer la taille du noyau : le diamètre du noyau est environ 100 000 fois plus petit que le diamètre de l'atome, soit 10 -15 m. L'atome est presque entièrement constitué de vide. Pour avoir une idée sur les dimensions, si on compare le noyau atomique à une orange d'un diamètre de 8cm, il faut imaginer que le diamètre de l'atome vaut environ 8km. Tout cet espace est vide, sauf le noyau.

Les limites de l' analogie du modèle planétaire.

La découverte de Rutherford pose cependant problème. Selon les lois de la physique classique , un électron qui tourne autour de son noyau devrait dégager de la lumière ou d'autres sortes d'énergies. Mais il y a un problème : si l'électron faisait cela, il aboutirait en tournant en spirale jusqu'au noyau et entraînerait la destruction de l'atome. Cette loi est fausse, car à part les éléments radioactifs, les atomes sont stables. De plus, le modèle n'explique pas pourquoi les électrons gravitant à des endroits différents ont cependant des réactions chimiques identiques.

La connaissance de la matière progresse de modèles en modèles

Ces anomalies provoqueront à leur tour une remise en question de la structure de la matière ainsi que l'élaboration d' autres modèles. On a ainsi l' exemple d'une recherche d'une représentation adéquate à partir des données de l' expérience dont certaines remettent en question l'organisation signifiante explicative. Cette remise en cause, à son tour, exige une réorganisation des modèles explicatifs obtenue par de nouvelles expériences.