النماذج في العلوم الفيزيائية

Les sciences physiques ont pour but d'expliquer et de prévoir un certain nombre de phénomènes. Pour cela, elles utilisent des modèles. Ces modèles ne prétendent pas représenter la réalité mais ils permettent de rendre compte de faits expérimentaux. Tant que le modèle est en accord avec les faits expérimentaux, il est conservé. Mais si une observation n'est pas en accord avec le modèle, il faut le modifier pour qu'il permette d'expliquer cette nouvelle observation. Un modèle n'est donc pas figé, mais il évolue au gré des observations scientifiques. Nous allons voir comment a évolué le modèle de l'atome au gré des découvertes scientifiques.

Le modèle grec:

Le modèle de l'atome des Grecs de l'antiquité n'était pas basé sur des observations scientifiques mais sur une conception philosophique de la composition de la matière. La notion d'atome a été introduite par le philosophe grec Leuccipe de Milet (né vers -500 avant J-C) puis a été reprise et développée par Démocrite, Epicure et Lucrèce. Ces philosophes pensaient que la matière est formée de grains invisibles qui ne peuvent être divisés (atome vient du grec atomos: qu'on ne peut pas couper). Pour eux, les atomes sont pleins et de forme variée : certains sont ronds, d'autres crochus... de telle manière qu'ils puissent s'accrocher entre eux pour former la matière que nous pouvons voir. Cette conception de la matière implique que la matière est discontinue et qu'elle est constituée de matière (les atomes pleins) et de vide (espace non rempli entre les atomes). Mais cette théorie a été rejetée pendant près de vingt siècles au profit de la théorie élémentaire soutenue par Aristote et Platon. Pour eux toute matière est constituée d'un mélange des quatre éléments: le feu, l'eau, la terre et l'air. A partir du XVIIème siècle, un certain nombre de savants, comme Galilée et Newton, se rallièrent à la vision atomistique du monde. En 1805, le britannique John Dalton pose comme hypothèse que la matière est constituée d'atomes pour décrire les transformations chimiques, mais tout comme Démocrite, il n'a pas de preuve expérimentale. Il faudra attendre une expérience de William Crookes en 1895 pour que l'expérimentation permettent de proposer un nouveau modèle de l'atome:

Le modèle de Thomson:

En 1854, le souffleur de verre allemand Heinrich Geisser, fabriqua un tube en verre dans lequel se trouvait deux électrodes métalliques et dans lequel il arriva à diminuer fortement la pression grâce à une pompe à vide. Il observa sur les parois du tube une lueur qui fut interprétée comme étant l'impact sur le verre d'un rayonnement émis par la cathode d'où le nom de "rayons cathodiques" donné par Goldstein en 1876. En 1895 le britannique William Crookes perfectionna le dispositif, mais il fallu attendre 1897 et les expériences de Joseph John Thomson pour que le phénomène de "rayons cathodiques" soit expliqué. Thomson montra que "les rayons cathodiques" sont déviés par un champ électrique.

Cette expérience permis d'affirmé que les "rayons cathodiques" sont constitués de particules chargés négativement. L'étude des rayons dans un champ magnétique lui a permis de calculer le rapport charge sur masse. Il obtint la valeur de 1,76.108 C/g qui ne correspondait à aucun atome connu. Il baptisa électrons les nouvelles particules ainsi découvertes. La découverte de l'électron permis à Thomson de proposer en 1904 un modèle pour l'atome. Dans ce modèle, l'atome est une sphère remplie d'une substance positive dans laquelle se trouve les électrons chargés négativement. On surnomme ce modèle "pudding de Thomson".

Ce modèle ne resta pas longtemps d'actualité car de nouvelles découvertes scientifiques permirent rapidement de proposer un nouveau modèle pour l'atome.

Le modèle de Rutherford:

En 1911, pour vérifier le modèle de Thomson, Ernest Rutherford (1871-1937) réalisa une expérience qui allait lui permettre d'élaborer un nouveau modèle de l'atome. Il bombarda une mince feuille d'or avec des particules α (atomes d'hélium qui ont perdu deux électrons). Il observa que la majorité des particules traversaient la feuille d'or sans être déviées et sans endommager la feuille d'or. Il observa également que certaines particules étaient légèrement déviées et que d'autres étaient rejetées en arrière. Le modèle de Thomson était incompatible avec les observations de l'expérience. Pour expliquer les observations expérimentales Rutherford propose un nouveau modèle dans lequel l'atome n'est pas plein. Pour Rutherford, l'atome est constitué d'un noyau chargé positivement et qui contient la majorité de la masse de l'atome et d'électrons qui tournent autour tels les planètes autour du Soleil. Entre le noyau et les électrons, il y a du vide.

La taille de l'atome est de l'ordre de 10-10m et celle du noyau de l'ordre de 10-15m. Le rapport entre la taille de l'atome et la taille du noyau est le même qu'entre un terrain de football et la tête d'une épingle. L'atome est donc constitué essentiellement de vide. Ce modèle permet d'expliquer les observations faites lorsqu'on bombarde une feuille d'or avec des particules.

Ce modèle sera remplacé,deux ans plus tard, par

Le modèle de Bohr:

Le modèle de Rutherford n'était pas satisfaisant car il n'était pas stable d'après les lois de l'électromagnétisme. C'est pourquoi Niels Bohr a proposé un nouveau modèle de l'atome dans lequel les électrons ne peuvent occuper que certaines orbites bien précises. Les orbites des électrons ne sont pas quelconques mais "quantifiées". Les électrons peuvent passer d'une orbite à une autre en émettant ou en absorbant certaine longueur d'onde de la lumière. Ce modèle de l'atome permet d'expliquer les raies d'émission et d'absorption des atomes et notamment de l'hydrogène sur lequel Bohr a travaillé. Le modèle de Bohr est le dernier modèle de l'atome de la physique classique. Il est toujours utilisé pour le grand public car il est facile a comprendre mais il ne permet pas d'expliquer tous les phénomènes observés. Le modèle actuel de l'atome fait appel à la physique quantique

Le modèle actuel:

En 1932, James Chadwick met en évidence des particules électriquement neutres et de masse voisine de celle du proton: les neutrons. Les atomes sont constitués d'un noyau autour duquel se déplacent des électrons. Le noyau est formé de deux sortes de particules appelées nucléons: les protons et les neutrons Caractéristiques des constituants des atomes.

En 1927 le physicien allemand Werner Heisenberg énonça le principe d'incertitude d'après lequel il est impossible de connaître à la fois la position et la vitesse d'un électron. Schrödinger utilisa le principe d'incertitude d'Heisenberg pour proposer un nouveau modèle d'atome qui conserve la présence et la structure du noyau mais qui rejette la notion de trajectoire pour les électrons. Dans ce modèle on définit une zone dans laquelle la probabilité de trouver l'électron est la plus grande. Le rayon de l'atome n'est plus le rayon de la dernière orbite occupée comme dans le modèle planétaire de Bohr, mais il devient une zone de probabilité.

La découverte des quarks:

Les protons et les neutrons ne sont pas des particules élémentaires car ils sont constitués de particules plus petites. Ces particules ont été appelées "quarks" par le physicien Murray Gell-Mann (prix Nobel en 1969). Il existe un certain nombre de variétés différentes de quarks qui sont identifiés par leur "saveur" et par leur "couleur". Il existe six "saveurs" : up (u), down (d), strange (s), charmed (c), bottom (b) et top (t). Chaque "saveur" peut avoir elle-même trois "couleurs" : rouge, verte et bleue (remarque : les quarks ne possède pas de couleur au sens habituel du terme, c'est uniquement une manière de les nommer). Un proton comme un neutron est constitué de trois quarks de couleur différente. Un proton contient deux quarks up et un quark down. Un neutron contient deux quarks down et un quark up.
Nous pouvons créer d'autres particules faites à partir des autres quarks, mais elles ont toutes une masse bien plus grande et se désintègre rapidement en protons et en neutrons.

منقول