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Cours : Chimie > Chapitre 4 

Leçon 1: Approche historique de la structure de l'atome
Sciences
Chimie
Structure électronique des atomes
Approche historique de la structure de l'atome
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Découverte de l’électron et du noyau

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Expérience du tube cathodique de Thomson et expérience de la feuille d'or de Rutherford

Points clés

  • L'expérience de J.J. Thomson sur les tubes cathodiques démontra que tous les atomes contiennent de minuscules particules chargées négativement : les électrons.
  • Le modèle atomique de Thomson consistait en de multiples électrons chargés négativement baignant dans une "soupe" chargée positivement.
  • L'expérience de la feuille d'or de Rutherford montra que les atomes sont principalement composés d'espace vide, avec en leur centre un minuscule noyau chargé positivement.
  • D'après ces résultats, Rutherford proposa le modèle nucléaire de l'atome.

Introduction : Le modèle atomique de Dalton

Dans un article précédent sur la théorie atomique de Dalton, nous avons discuté des postulats suivants :
  • Toute matière est faite de particules indivisibles appelées atomes, qui ne peuvent ni être créées ni être détruites.
  • Les atomes d'un même élément ont une masse et des propriétés physiques identiques.
  • Les composés chimiques sont des combinaisons d'atomes de 2 éléments différents ou plus.
  • Toute réaction chimique implique un réarrangement des atomes.
Les idées de Dalton ont été à la base de la théorie atomique moderne. Une de ses hypothèses s'est malgré tout avérée incorrecte. Dalton pensait que les atomes sont les plus petites unités de matière−de minuscules sphères que l'on ne pouvait pas briser en d'autres morceaux plus petits. Cette hypothèse persista jusqu'à ce que d'autres expériences de physique démontrent que les atomes étaient composés de particules encore plus petites. Ces expériences, qui ont conduit à la découverte des électrons et des noyaux, sont décrites dans cet article.

J.J. Thomson et la découverte de l'électron

Vers la fin du XIXe siècle, le physicien J.J. Thomson commença des expériences sur les tubes cathodiques. Un tube cathodique est un tube de verre étanche presque entièrement sous vide. En appliquant une haute tension entre deux électrodes à une extrémité du tube, on crée un faisceau de particules qui part de la cathode (l'électrode chargée négativement) vers l'anode (l'électrode chargée positivement). Ces tubes sont appelés cathodiques parce que le faisceau de particules, ou "faisceau cathodique", part de la cathode. L'anode étant percée d'une lucarne, le faisceau d'électrons fortement accéléré la traverse et poursuit sa route jusqu'à l'autre extrémité du tube, enduite de phosphore. Le phosphore émet de la lumière quand il est frappé par le faisceau cathodique.
Schéma d'un tube cathodique.
Schéma du tube cathodique de J.J. Thomson. Le faisceau est créé à la cathode et passe à travers une fente dans l'anode. Le faisceau cathodique est repoussé par la plaque chargée négativement, et attiré par la plaque chargée positivement. En mesurant la déviation causée par un champ magnétique appliqué au tube, Thomson détermina le rapport masse sur charge des particules. Image issue de Openstax, CC BY 4.0.
Pour tester les propriétés des particules, Thomson plaça deux plaques portant des charges électriques opposées de chaque coté du faisceau cathodique. Le flux de particules fut alors dévié vers la plaque chargée positivement. Il en déduisit que le faisceau cathodique était composé de particules de charge négative.
Thomson plaça également deux aimants de part et d'autre du tube, et observa que le champ magnétique ainsi créé faisait également dévier le faisceau. Les résultats de ces expériences lui permirent de déterminer le rapport masse sur charge des particules du faisceau cathodique, ce qui entraîna une découverte fascinante−la masse de chacune de ces particules était beaucoup plus petite que celle de n'importe quel atome connu. Thomson essaya de répéter l'expérience en utilisant différents métaux pour les électrodes, et à chaque fois les propriétés du faisceau cathodique restaient les mêmes, quel que soit le métal formant la cathode dont il était issu. Thomson en tira les conclusions suivantes :
  • Le faisceau cathodique est composé de particules chargées négativement.
  • Ces particules font partie de l'atome, puisque leur masse n'est que de ∼12000 de la masse de l'atome d'hydrogène.
  • Ces particules subatomiques se trouvent dans tous les atomes, quel que soit l'élément chimique.
Bien qu'initialement controversées, les découvertes de Thomson furent progressivement acceptées par la communauté scientifique. Les particules composant le faisceau cathodique ont reçu le nom d'électrons. La découverte des électrons réfuta la partie de la théorie atomique de Dalton qui supposait que les atomes sont des entités indivisibles. Il fallait à présent penser à un tout nouveau modèle atomique afin d'inclure l'existence des électrons.
Application : Comment Thomson a-t-il pu conclure que les électrons se trouvaient dans tous les atomes, quel que soit l'élément ?

Le modèle du pudding aux raisins

Thomson savait que les atomes étaient électriquement neutres. Comme les électrons sont chargés négativement, il déduisit qu'il devait y avoir une source positive à l'intérieur de l'atome pour compenser ces charges négatives. Il proposa donc un modèle dans lequel les électrons, chargés négativement, "flottent" dans une soupe diffuse de charge positive. Ce modèle est souvent appelé le modèle en pudding aux raisins de l'atome, en référence au pudding aux raisins ou pudding de Noël, qui est un célèbre gâteau anglais (voir figure ci-dessous).
Modèle du pudding aux raisins (droite), image d'un vrai pudding aux raisins (gauche).
Le modèle du pudding aux raisins représente les électrons comme des particules chargées négativement flottant dans une mer de charge positive. La structure de l'atome de Thomson est similaire à celle du pudding de Noël, célèbre gâteau anglais (image de gauche). Image issue de Openstax, CC BY 4.0.
Ce modèle était encore assez grossier, mais fort heureusement les scientifiques ont continué leurs recherches sur la structure de l'atome, et ont notamment testé la validité du modèle de pudding aux raisins de Thomson.
Application : Thomson proposa un modèle de l'atome avec des charges négatives distinctes flottant dans une "mer" de charge positive. Quel autre modèle atomique pourrait expliquer les résultats expérimentaux de Thomson ?

Ernest Rutherford et l'expérience de la feuille d'or

Quelque temps après, une autre expérience significative dans le domaine de l'atome fut réalisée par Ernest Rutherford, un physicien néo-zélandais ayant effectué une grande partie de sa carrière en Angleterre et au Canada. Dans sa célèbre expérience de la feuille d'or, Rutherford projeta un rayon de particules α (que l'on prononce particules alpha) sur une fine couche d'or pur. Les particules alpha sont des noyaux d'hélium (24He2+), et sont des produits de certaines réactions de radioactivité. Pour cette expérience, Rutherford plaça un échantillon de radium (un métal radioactif) dans une boite en plomb avec un minuscule trou. La plupart des radiations sont absorbées par le plomb, mais un fin rayon de particules α passe par le petit trou, en direction de la feuille d'or. Tout autour de la feuille d'or se trouve un écran détecteur qui produit une lumière en cas de contact avec une particule α.
Le matériel utilisé pour l'expérience de Rutherford.
Dans l'expérience de la feuille d'or de Rutherford, un faisceau de particules α est dirigé sur une fine couche de feuille d'or. La plupart des particules α passent tout droit à travers la feuille d'or, mais un petit nombre de particules est légèrement dévié et un nombre encore plus faible de particules est déviée de plus de 90∘ par rapport à leur trajectoire initiale. Image issue de Openstax, CC BY 4.0.
En se basant sur le modèle de pudding aux raisins de Thomson, Rutherford prédit que la plupart des particules α passeraient à travers la feuille d'or. La raison est que la charge positive, selon le modèle du pudding, est supposée être dispersée à travers tout le volume de l'atome. Par conséquent, le champ électrique créé par la "soupe" chargée positivement serait trop faible pour entraver significativement la trajectoire des particules α, relativement lourdes et rapides.
Les résultats de l'expérience furent pourtant bien plus surprenants. Bien que la plupart des particules α soient passées directement à travers la feuille d'or comme prévu, un certain nombre de particules α (environ 1 sur 20 000) avaient été déviées de plus de 90∘ de leur trajectoire ! Rutherford lui-même décrivit ces résultats avec l'analogie suivante : "C'était la chose la plus incroyable qui me soit jamais arrivée. Imaginez que vous tiriez un obus de 15 pouces sur un mouchoir en papier tendu au milieu de la pièce et que l'obus rebondisse et revienne vers vous."
Expérience de la feuille d'or de Rutherford : résultats attendus selon le modèle de Thomson (gauche), résultats expérimentaux obtenus (droite).
En se basant sur le modèle atomique de pudding aux raisins de Thomson, on supposait que rien à l'intérieur des atomes d'or n'était assez dense ou lourd pour dévier les massives particules α de leur trajectoire (image de gauche). Mais Rutherford n'observa pas du tout le même résultat lors de ses expériences (image de droite)−un nouveau modèle atomique était nécessaire.

Le modèle nucléaire de l'atome

À partir des résultats de ses expériences, Rutherford arriva aux conclusions suivantes concernant la structure de l'atome :
  • La charge positive doit être située dans un très petit volume dans l'atome, volume qui contiendrait également la plupart de la masse de l'atome. Cela expliquerait pourquoi seul un très petit nombre de particules α a été significativement dévié, probablement suite à une collision avec un noyau d'or.
  • Comme la plupart des particules α sont passées tout droit à travers la feuille d'or, l'atome doit être presque entièrement constitué d'espace vide !
Image représentant des électrons (en rouge) en orbite autour d'un noyau (petite sphère noire).
Modèle nucléaire de l'atome. Image de l'atome de Rutherford issue de Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3,0.
À partir de ces conclusions, Rutherford proposa le modèle nucléaire de l'atome, dans lequel l'atome est constitué d'un minuscule noyau chargé positivement, autour duquel gravitent les électrons chargés négativement. Étant donné que le nombre de particules α significativement déviées était très faible, Rutherford estima que le noyau n'occupait qu'une minuscule fraction du volume de l'atome.
Le modèle nucléaire permit d'expliquer les résultats expérimentaux de Rutherford, mais il souleva aussi d'autres questions. Par exemple, que font les électrons dans l'atome ? Comment les électrons font-ils pour ne pas s'écraser dans le noyau, étant donné que les charges opposées s'attirent ? Heureusement, des physiciens tels que Niels Bohr continuèrent à imaginer de nouvelles expériences pour tester les limites de ce modèle, qui évoluerait plus tard pour devenir le modèle quantique de l'atome.

À retenir

  • L'expérience de J.J. Thomson sur les tubes cathodiques démontra que tous les atomes contiennent de minuscules particules chargées négativement : les électrons.
  • Thomson proposa le modèle atomique du pudding aux raisins, dans lequel les électrons chargés négativement flottent dans une "soupe" chargée positivement.
  • L'expérience de la feuille d'or de Rutherford montra que les atomes sont principalement composés d'espace vide, avec en leur centre un minuscule noyau chargé positivement.
  • D'après ces résultats, Rutherford proposa le modèle nucléaire de l'atome.

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