Modèle atomique actuel

Pendant des années et des années, les modèles atomiques ont évolué à mesure que la physique évoluait. Tout le monde pourrait expliquer certaines propriétés des atomes. Cependant, certains résultats expérimentaux ne concordaient pas avec la théorie, révélant ainsi ses insuffisances.

Et puis… Quel est le modèle atomique actuel ?

Eh bien, il s'avère que dans les années 20 du siècle dernier l'une des théories les plus belles et les plus inexplicables a émergé que nous avons aujourd'hui : la mécanique quantique.

Cette théorie étrange mais étonnante permet de modéliser de manière très précise les phénomènes du monde microscopique.

EXACT!

Grâce à lui, nous pouvons étudier les atomes avec précision et expliquer mathématiquement ce que nous voyons dans les expériences.

Avant de commencer, il est important que vous sachiez ce qu'est un atome. je vous invite à lire notre article détaillé sur l’atome.

Le modèle atomique quantique actuel, connu sous le nom de modèle atomique quantique, représente la compréhension la plus avancée et la plus précise de la structure et du comportement de l'atome, basée sur les principes de la mécanique quantique. Ce modèle transcende les notions classiques, en remplaçant les orbites définies des électrons par des régions de probabilité où ils sont le plus susceptibles de se trouver.

En intégrant des concepts tels que la dualité onde-particule et le principe d'incertitude, Le modèle quantique offre une description détaillée qui permet d’expliquer et de prédire un large éventail de phénomènes physiques et chimiques. avec une précision sans précédent. Essentiellement, ce modèle est non seulement fondamental pour la physique et la chimie modernes, mais il est également crucial pour les technologies avancées allant de l’électronique à la médecine.

Allons-y par parties.

Pour étudier les atomes grâce à la mécanique quantique, nous avons deux options : utiliser les équations différentielles intégrales de Schrödinger ou les équations matricielles de Heisenberg. Ces deux approches sont équivalentes.

Dans ce cas, nous utiliserons l’équation de Schrödinger pour tenter d’expliquer le modèle atomique moderne.

Dans ce cadre théorique, nous avons le noyau de l’atome au centre puis les électrons « autour de lui ». Contrairement à d’autres modèles plus anciens, les électrons ne suivent plus les orbites, mais se trouvent dans les orbitales. En effet, les électrons sont modélisés à l’aide d’une fonction d’onde et ne sont plus traités comme s’il s’agissait de particules ponctuelles.

Et qu’est-ce que cela signifie ?

Cela signifie que les électrons n’ont plus une position fixe, mais peuvent se trouver à plusieurs endroits en même temps. C'est ce qu'on appelle superposition quantique.

Par conséquent, au lieu d’avoir des positions, nous avons une distribution probabiliste dont les zones autour du noyau ont une plus grande probabilité de trouver des électrons.

Le modèle actuel de l’atome est basé sur les principes de la mécanique quantique, ce qui représente une évolution significative par rapport aux modèles plus simples proposés dans le passé. Ce modèle ne décrit pas les électrons comme des particules sur des orbites fixes autour du noyau, mais comme des ondes de probabilité distribuées dans des régions de l'espace appelées orbitales atomiques. Voici les principales caractéristiques du modèle quantique de l’atome :

PARFAIT!

Nous avons désormais une idée de base du modèle atomique moderne. Et maintenant quoi?

Il est maintenant temps de comprendre les caractéristiques des électrons dans ce modèle et comment utiliser l’équation de Schrödinger pour les comprendre.

L'équation proposée par Erwin Schrödinger est très compliquée à résoudre mathématiquement. C’est pourquoi cette question ne peut être résolue que pour les atomes hydrogénoïdes, qui n’ont qu’un seul proton et un seul électron. Avec des atomes possédant un plus grand nombre d’électrons, nous ne pouvons obtenir que des solutions approximatives.

Lorsque nous développons cette équation, nous voyons qu'il existe certaines valeurs qui sont paramétrées et ne peuvent prendre que certaines valeurs. Ces valeurs sont appelées nombres quantiques et permettent de décrire les propriétés des différents électrons du noyau d'un électron.

JE NE COMPRENDS RIEN!

Si c’est la première fois que vous lisez ceci sur les nombres quantiques, vous n’avez probablement pas compris le concept. On pourrait dire qu’il existe différents types d’électrons selon leur emplacement dans le noyau. Ces électrons ont des énergies différentes et des « formes » différentes. Afin de décrire chaque électron, nous utilisons des nombres quantiques qui nous indiquent l’énergie et la forme de chaque électron.

Mieux avec cette explication ?

De plus, il existe un quatrième nombre quantique qui ne sort pas de l’équation de Schrödinger : le nombre quantique de spin.

Si vous êtes nouveau dans ce monde, vous vous demandez probablement : mais qu'est-ce que c'est que le spin ?

Mais ne t'inquiètes pas!

Pour cette explication, avec une simple comparaison, vous comprendrez conceptuellement ce qu'est le spin.

Les électrons ont la propriété de « tourner » sur eux-mêmes. S'ils tournent à droite, nous dirons qu'ils ont une rotation vers le haut et s'ils tournent à gauche, nous dirons qu'ils ont une rotation vers le bas. Ainsi, le nombre quantique magnétique indique simplement la direction de spin de l’électron. S'il est en rotation, le nombre quantique magnétique associé est +1/2. En revanche, s'il s'agit d'un spin-down, le nombre associé est -1/2.

Le modèle atomique le plus récent, celui dont nous disposons aujourd’hui, n’est en réalité pas entièrement le modèle de Schrödinger. C'est parce qu'il présente des insuffisances et que nous avons donc dû adopter certaines corrections pour les améliorer.

Comme nous l’avons vu, les nombres quantiques de spin ne découlent pas naturellement des équations de Schrödinger. Il a donc fallu les ajouter a posteriori, donnant naissance au modèle atomique de Schrödinger-Pauli.

Dans certains types d’atomes très lourds, les forces entre les électrons au sein du noyau font que les électrons peuvent atteindre des vitesses très élevées. À ce stade, les effets relativistes deviennent importants. Il faut donc ajouter des corrections pour pouvoir prendre en compte les effets de la relativité restreinte d'Einstein.

Ces corrections sont effectuées à travers le Équation de Dirac. Paul Dirac a réussi à unifier la formule qui décrit l'énergie en relativité (E=mc2) et l'équation de Schrödinger. Ajout de cette correction nécessaire.

L’évolution du modèle atomique reflète la manière dont notre compréhension de la matière a progressé, depuis des idées philosophiques primitives jusqu’à des théories quantiques sophistiquées. Au fil des siècles, la notion d’atome a été affinée grâce aux contributions de nombreux scientifiques éminents, chacun apportant une pièce cruciale au puzzle complexe de ce que nous savons aujourd’hui sur la structure atomique.

Le philosophe grec Démocrite fut l’un des premiers à suggérer l’idée que la matière était composée de particules indivisibles et invisibles qu’il appelait atomes. Même si sa théorie était purement spéculative et manquait de base expérimentale, elle posait les bases de recherches futures sur la composition de la matière.

Au XIXe siècle, John Dalton a revitalisé l'idée de l'atome avec sa théorie atomique, proposant que chaque élément chimique était composé d'atomes d'un type unique. Dalton a introduit des concepts tels que le poids atomique et a jeté les bases de la compréhension des réactions chimiques en termes d'assemblage et de séparation des atomes.

J.J. Thomson a découvert l'électron à la fin du XIXe siècle, ce qui a conduit au développement de son modèle atomique, connu sous le nom de « plum pudding ». Il a proposé que les atomes soient des sphères chargées positivement avec des électrons intégrés, une théorie qui expliquait l'existence de particules subatomiques chargées négativement au sein de l'atome.

Le modèle de Thomson a été remplacé par le modèle nucléaire d'Ernest Rutherford, qui, sur la base de ses expériences de diffusion de particules alpha, a conclu que l'atome avait un noyau dense et chargé positivement au centre, avec des électrons en orbite autour de lui.

Niels Bohr a développé un modèle atomique intégrant la quantification de l'énergie pour expliquer les orbites stables des électrons et les spectres d'émission des atomes. Son modèle introduisait des orbites circulaires fixes dans lesquelles les électrons pouvaient se déplacer sans rayonner d'énergie.

Le modèle de Bohr a évolué avec le développement de la mécanique quantique dans la première moitié du XXe siècle. Des scientifiques tels que Schrödinger, Heisenberg et Pauli ont contribué à un modèle plus sophistiqué dans lequel les positions des électrons sont décrites par des probabilités plutôt que par des orbites définies, donnant naissance au modèle atomique moderne.