L'Évolution des Modèles Atomiques : De Rutherford au Modèle Quantique

1. Le modèle atomique de Rutherford

Rutherford propose un nouveau modèle atomique, connu sous le nom de modèle planétaire. Dans ce modèle, il considérait qu'il y avait un noyau très petit, chargé positivement de protons, et qu'à de grandes distances se trouvaient les électrons tournant dans le nuage électronique. Entre le noyau et le nuage, il y avait un grand espace vide.

Ce nouveau modèle expliquait parfaitement les résultats de l'expérience :

• Les particules alpha qui passaient sans être déviées le faisaient à travers l'espace vide.
• Celles qui étaient légèrement déviées étaient celles qui passaient près du noyau et subissaient la répulsion électrostatique (+/+).
• Celles qui rebondissaient étaient celles qui entraient en collision directe avec le noyau, un événement très improbable en raison de sa taille réduite.

Faille du modèle de Rutherford

Rutherford n'a pas su expliquer pourquoi les électrons restaient en orbite autour du noyau sans s'y écraser. En effet, selon la physique classique, un électron en mouvement devrait perdre de l'énergie sous forme de rayonnement et finir par s'effondrer sur le noyau.

2. Le modèle atomique de Bohr (1913)

Bohr a mené une série d'études sur les spectres atomiques pour tenter de résoudre les lacunes du modèle de Rutherford. Il en a déduit ce qui suit : « Les électrons tournent autour du noyau en décrivant des orbites circulaires définies, ou niveaux d'énergie. »

Ces niveaux sont remplis du plus bas au plus haut niveau d'énergie. La règle à suivre est 2n², où 'n' est le numéro de la couche. Ainsi, la première couche peut contenir 2 électrons (2e-), la deuxième 8e-, la troisième 18e-, etc.

Il existe une possibilité de sauts électroniques selon certaines règles : si un électron absorbe de l'énergie, il peut monter à des niveaux supérieurs, et s'il en émet, il descendra à des niveaux inférieurs. Ce phénomène expliquait les raies spectrales.

3. Le modèle atomique actuel

Diverses découvertes, tant dans le domaine de la chimie que de la physique, ont conduit à la proposition d'un nouveau modèle atomique basé sur les lois de la mécanique quantique :

• Hypothèse de Planck
• Dualité onde-corpuscule de De Broglie
• Principe d'incertitude de Heisenberg
• Équation d'onde de Schrödinger
• Principe d'exclusion de Pauli

Principes fondamentaux du modèle actuel

a) Principe de l'énergie minimale (Règle de Klechkowski)

Les orbitales se remplissent en premier par celles de plus basse énergie, puis par celles de plus haute énergie, en suivant l'ordre indiqué par le diagramme de Moeller.

b) Principe d'exclusion de Pauli

Il ne peut y avoir deux électrons dans un même atome avec les quatre nombres quantiques identiques. Ils doivent au moins différer par leur nombre quantique de spin. L'un est représenté par une flèche vers le haut et l'autre vers le bas, indiquant des rotations opposées.

c) Règle de Hund (principe de multiplicité maximale)

Dans des orbitales dégénérées (de même énergie), les électrons se répartissent de manière à occuper le maximum d'orbitales avec des spins parallèles (non appariés) avant de s'apparier. Cela permet d'atteindre la plus grande stabilité énergétique en minimisant la répulsion électronique.