Rigolo

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ATOMISTIQUE

« Quiconque n’est pas choqué par la théorie quantique ne l’a pas comprise. » (Niels Bohr, 1885-1962)

chapitre 1

La structure de la matière

L’idée d’atome (du grec : insécable), remonte à Empédocle, Leucippe et Démocrite (environ 460 à 370 avant JC), qui ont construit une physique matérialiste, dans laquelle tous les phénomènes observés sont expliqués, non par une actiondivine, mais par la juxtaposition dans l’espace de particules très petites, les atomes, et de vide dans lequel elles se meuvent. Cette théorie était très novatrice à deux titres : elle imaginait la matière faite de combinaisons d’atomes, et non des quatre éléments, et elle imaginait l’existence du vide. Néanmoins, tout cela restait pure spéculation intellectuelle. Au 19e siècle, les chimistes ontconstaté que les corps s’associent selon des proportions fixes et entières (par exemple deux parties de dihydrogène pour une partie de dioxygène donnent deux parties d’eau). Cette loi, énoncée par Proust en 1799, a conduit Dalton à suggérer, en 1803, que les corps sont composés d’atomes, qui se combinent ; un atome étant une partie insécable, on comprend pourquoi les proportions doivent être dansdes rapports entiers. La structure des atomes ne fut élucidée qu’au 20e siècle, à l’occasion d’une des plus grandes avancées de la physique (après la théorie de Newton et celle de l’électromagnétisme) : la théorie des quanta, ou physique quantique, ou mécanique quantique.

Plan du chapitre 1. Les atomes 1.1. Rappel sur les atomes 1.2. La radioactivité 1.3. Les modèles historiques de l’atome 2. Lalumière 2.1. Aspect ondulatoire de la lumière 2.2. Aspect corpusculaire de la lumière 3. Spectres des atomes 3.1. Interaction entre la lumière et un atome : spectre d’un atome 3.2. Niveaux d’énergie dans les atomes 3.3. Quantification de l’énergie dans l’atome d’hydrogène 3.4. Etude des différentes séries 3.5. Ions hydrogénoïdes 4. Les bases de la mécanique quantique 4.1. Le modèle de l’atome deBohr 4.2. La dualité onde-corpuscule 4.3. Le principe d’incertitude de Heisenberg 4.4. Notion de fonction d’onde

PCSI – Nicolas Clatin − atomistique chapitre 1 : la structure de la matière – janvier 2005 – page 1

1. Les atomes. 1.1. Rappel sur les éléments. Un atome d’un élément chimique A X est composé : Z – d’un noyau, de taille caractéristique de l’ordre du femtomètre (1 fm = 10–15 m), –d’électrons qui gravitent autour du noyau. La taille totale de l’atome est de l’ordre du nanomètre (1 nm = 10–9 m). Le noyau est composé de A particules appelées nucléons. Les nucléons regroupent deux types de particules différentes : – les neutrons, au nombre de A – Z, – les protons, au nombre de Z. Les caractéristiques de ces particules sont les suivantes. masse (kg) 1,67.10–27 1,67.10–279,1.10–31 charge (C) 0 + 1,602.10–19 = + e – 1,602.10–19 = – e

neutron proton électron

Le nombre d’électrons autour du noyau est variable. A l’état neutre, il y a Z électrons, c’est-à-dire autant que de protons puisque leurs charges sont opposées. Les atomes peuvent néanmoins gagner ou perdre un ou plusieurs électrons, ce qui conduit à la formation d’anions (excès d’électron(s) donc charge globalenégative), ou de cations (défaut d’électron(s) donc charge globale positive). Le nombre A permet d’avoir une estimation de la masse de l’atome ; on l’appelle le nombre de masse. En effet, la masse d’un atome est presqu’exclusivement celle de son noyau. A noter que les masses des protons et des neutrons sont presque égales. Le nombre Z est appelé le numéro atomique. Il caractérise l’élément chimiqueconsidéré. C’est le nombre de protons Z qui détermine les propriétés chimiques de l’atome. Un même élément peut exister sous plusieurs formes, appelées isotopes. Les isotopes diffèrent par le nombre de neutrons présents dans le noyau ; en revanche, ils ont le même nombre de protons (donc d’électrons à l’état neutre). Exemple : le carbone (Z = 6) possède plusieurs isotopes, dont les trois plus...
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