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CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS SUR L’ATOME ET SA STRUCTURE Préambule/Objectifs La notio

CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS SUR L’ATOME ET SA STRUCTURE Préambule/Objectifs La notion d’atome remonte à l’Antiquité. Qu’est-ce au juste qu’un atome ? La matière est-elle constituée d’un milieu homogène, continu, divisible à l’infini ? ou au contraire est-ce un milieu inhomogène ? Ce sera l’objectif de ce cours de préciser cette notion et à travers l’établissement de modèles quantitatifs de prévoir, calculer les propriétés de l’atome. 1. Introduction L’étude expérimentale des réactions chimiques fut la première méthode d’investigation des propriétés des éléments. Des expériences simples (telles que la mesure des poids des éléments qui se combinent les uns aux autres), mais dont la précision était soigneusement discutée, ont conduit quelques purs chimistes à cette notion physique fondamentale qu’est l’atome. Sans doute, nul mieux que Jean PERRIN (Prix Nobel) dans son livre "LES ATOMES" n’a décrit les premiers tâtonnements des chimistes du début du XIXe siècle qui avaient entrevu la structure corpusculaire de la matière à travers les lois des combinaisons. Bien que le mot ait été inventé par les Grecs, ce n’est que vers le milieu de ce siècle que le concept d’atome a réellement porté ses fruits. Depuis le début de ce siècle, le développement de la technologie a permis l’étude des particules élémentaires constitutives des atomes et des molécules. Ces entités ont pu être isolées et l’action de forces extérieures a permis de mettre en évidence leurs propriétés et leur structure. Des accélérateurs puissants, communiquant des énergies énormes à des particules incidentes, ont rendu possible la désintégration et l’étude du noyau. Plus récemment encore, l’approche théorique de l’Univers physique a connu des bonds prodigieux. Le raffinement des méthodes expérimentales a permis de tester des hypothèses ambitieuses. L’arrivée dans les centres de recherche d’ordinateurs de plus en plus puissants a fait reculer les limites de l’impossible de telle sorte, que dans bien des cas, les calculs théoriques sont aussi importants que l’approche expérimentale pour la compréhension des phénomènes. Dans certains cas, la manipulation expérimentale est devenue secondaire. En définitive, l’atome se réduit à un assemblage plus ou moins complexe d’un petit nombre de particules élémentaires. Ces particules étant des masses chargées, il devrait être possible de construire théoriquement n’importe quel atome en disposant convenablement ces particules élémentaires, compte tenu des forces qui agissent entre elles. Les propriétés chimiques de l’atome seraient ensuite expliquées par l’étude des interactions mutuelles de deux atomes différents. Ce problème théorique devient rapidement très complexe dès que le nombre d’électrons dépassent dix. Cependant, les modèles mathématiques, lorsqu’ils sont convenablement choisis, donnent des résultats très satisfaisants, leur généralisation aux éléments les plus lourds doit être faite avec discernement. 2. Historique de nos conceptions sur l’atome L’étude de la décharge dans les gaz raréfiés a montré que les atomes dont est constituée toute matière sont formés d’un constituant universel, les électrons chargés négativement, de masse négligeable, tous identiques entre eux quelle que soit la matière dont ils sont extraits (rayons cathodiques) et de constituants chargés positivement, emportant avec eux la quasi-totalité de la masse de l’atome dissocié (rayons canaux - GOLDSTEIN 1886). Ces ions positifs ont des propriétés qui dépendent du matériel dont ils sont extraits. On a obtenu les ions H+, H2 +, He+, H, Cl, etc. mais jamais H++. Il était donc justifié de supposer que l’hydrogène était formé d’un élément positif uni à un seul électron. Pour l’hélium, il fallait l’admettre de même formé d’un élément positif doublement chargé uni à deux électrons. Il était cependant difficile d’aller plus loin car la perte de 2, 3, 4, ... n électrons par un atome lourd, entraîne la formation d’un champ électrostatique énorme autour de cet atome, de telle sorte que l’extraction du n + 1ème électron était très difficilement réalisable. La connaissance des atomes les plus lourds devait être abordée par une autre voie. C’est ce que fit J. J. THOMSON en développant la théorie de diffusion des rayons X par la matière. Admettant que cette diffusion était due à l’entrée en vibration des électrons sous l’action du champ électromagnétique associé aux rayons X, il montra que le nombre d’électrons contenus dans un élément devait être voisin de la moitié de sa masse atomique, c’est-à-dire, en gros, de son rang dans la classification périodique. Le problème se posait alors de trouver un modèle d’atome où l’on exprimerait la manière dont ces électrons étaient unis aux restes positifs. Deux propositions, deux modèles, furent proposées et, bien sûr, mis à l’étude. Modèle de THOMSON L’atome serait constitué d’une sphère d’électricité positive, homogène et indivisible au sein de laquelle s’enfoncent les électrons, jusqu’à ce que leur répulsion naturelle compense l’attraction un peu comme les pépins dans une orange. C’était un modèle statique (figure 1.1). Modèle de PERRIN L’atome serait un système solaire en miniature où les électrons faisant office de planètes circulent librement autour d’un noyau chargé positivement, leur inertie équilibrant l’action du champ électrique. C’est un modèle dynamique (figure 1.2). Figure 1.1. Modèle de THOMSON. Mais, d’après la théorie électromagnétique, tout système comportant un moment électrique variable émet un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement transporte de l’énergie qui provoque une diminution de celle de l’émetteur. L’électron devrait donc ralentir, donc se rapprocher du noyau, et depuis le temps que la matière existe, il ne pourrait être que sur le noyau lui-même, un peu à l’image des satellites artificiels qui finissent toujours par revenir sur Terre. Figure 1.2. Modèle de PERRIN. Le modèle de THOMSON n’était pas exempt non plus de critiques. Des expériences avaient montré que les particules  (He++) traversent une épaisseur d’aluminium telle qu’elles subissent environ 100 000 chocs sans être pratiquement déviées. Or, pour THOMSON, les ions He++ ont des dimensions de l’ordre 1010 m, comme tous les atomes (voir plus loin les expériences de déviation électrique et magnétique). Le modèle de THOMSON ne laisse pas de place pour de tels passages. Au contraire le modèle planétaire de PERRIN laisse une très grande quantité de vide entre les électrons et les noyaux. D’autres modèles ont été également proposés. Pour le japonais NAGAOKA l’atome devait ressembler à une construction ressemblant à la planète Saturne entouré de son anneau. L’équivalent de la planète elle-même constituait le noyau positif et les électrons se trouvaient sur l’anneau (partie gauche de la figure 1.3). Pour sa part, le physicien allemand LENARD prétendait que l’atome était constitué essentiellement de vide et que l’atome était constitué de doublets neutres, donc comportant une charge électrique positive et une charge électrique négative (partie droite de la figure 1.3). Tous ces modèles pouvaient expliquer les phénomènes observés à cette époque. Figure 1.3. D'autres modèles atomiques. C’est RUTHERFORD qui trancha la question en étudiant la déviation des particules  traversant un écran. Expérience de RUTHERFORD et GEIGER (1911) Les particules  émises par le radium traversent une feuille métallique mince (Fig. 1.4). Chaque particule a est capable de produire une scintillation sur un écran fluorescent convenable. On peut donc compter les particules sur chaque unité de surface de l’écran. RUTHERFORD constate que : Figure 1.4. Dispositif expérimental de RUTHERFORD.  la proportion de particules déviées est d’autant plus petite que l’angle  est plus grand (Fig. 1.4);  pour un angle de diffusion donné, cette proportion est d’autant plus petite que le métal est léger. Pour des atomes lourds, l’or par exemple, il y a des retours en arrière. "C’était la chose la plus incroyable rencontrée dans mon existence, écrivît Lord RUTHERFORD, à peu près aussi invraisemblable que si l’on tirait un coup de canon de 380 mm sur une feuille de papier de soie et qu’elle renvoie le projectile vers l’arrière. À la réflexion, je me rendis compte que ce renvoi vers l’arrière devait résulter d’une collision unique et le calcul me démontra que ce phénomène n’était explicable, même qualitativement, que si la quasi-totalité de la masse de l’atome était concentrée dans un noyau minuscule". Le principe du calcul de RUTHERFORD est basé sur les hypothèses suivantes : 1- la déflexion d’une particule a est causée par un seul atome, et 2- l’interaction atome-particule obéit à la loi électrostatique de COULOMB. Dans ces conditions, le calcul de l’angle de déviation  est un problème mécanique analogue au calcul du mouvement d’une comète passant près d’une planète (Fig. 1.2 et 1.6). La trajectoire est parabolique et l’angle  est donné par : 1.1 Dans cette équation m, 2 e et  sont la masse, la charge et la vitesse de la particule , Ze est la charge du noyau de l’atome et p la plus courte distance entre le noyau et la direction incidente de la particule . On doit calculer la distribution angulaire des particules ayant passé à travers une feuille métallique mince puisque c’est la quantité que l’on peut mesurer. Quelle est donc la fraction F de toutes les particules incidentes dont la direction est comprise entre les angles  et  + d ? Figure 1.5. Résultats expérimentaux. Figure 1.6. Déviation d’une particule a dans un champ nucléaire. Si la feuille de métal d’épaisseur présente n atomes par unité de surface au faisceau de uploads/Litterature/ cours-phynu-m1-1.pdf