Modèle atomique

[michel.]

Bonjour,
je n'arrive pas a comprendre ce qui clochait avec le modèle atomique de Rutherford? Et celui de Bohr?

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[Deedee81]

Salut,

Bonjour,
je n'arrive pas a comprendre ce qui clochait avec le modèle atomique de Rutherford? Et celui de Bohr?

Le modèle de Rutherford était un modèle basé sur un constat expérimental, pas un modèle théorique. A l'époque on n'avait que deux théories pour expliquer ça : la mécanique classique et l'électromagnétisme classique. Or en électromagnétisme classique toute particule chargée accélérée (ce qui est le cas d'un électron en orbite = accélération centripète) émet un rayonnement continue (Brehmstrallung). Les électrons auraient dû tomber sur le noyau et tout atome émettre un rayonnement.... non observé.

Le modèle de Bohr était un modèle "semi-classique" mélangeant de manière arbitraire des règles classiques et des règles quantiques. Il était aussi fort incomplet.

tu peux voir ça ici par exemple (chapitre IV) :
http://www.scribd.com/doc/50185815/Tome-I

Je recopie ici les objections aux modèles de Bohr que je donne dans ce livre :

Défauts du modèle
Ils sont très nombreux ! La théorie évolua d'ailleurs tellement vite à cette époque que le modèle de
Bohr fut pratiquement mort avant même d'arriver à maturité ! Mais on le conserve au moins pour sa
simplicité et son caractère pédagogique et intuitif.
On peut classer ses défauts en trois parties :

Théoriques.

La théorie ne s'applique que si on a un seul électron. Elle est incapable de prendre en
compte les interactions entre deux électrons. Elle traite donc des atomes appelés
hydrogénoïdes qui sont des atomes dont on a arraché tous les électrons sauf un.
On découvrit rapidement que lorsque l'on a plusieurs électrons, ceux-ci se disposent sur les
orbites selon certaines règles : deux sur la première, six sur la suivante, etc. Ce qui conduit à
la classification de tous les atomes. Mais la raison de cette ségrégation est assez mystérieuse
à ce stade. En outre, les interactions entre électrons et avec le noyau modifie les orbites pour
des atomes plus complexes que l'hydrogène.

La théorie donne des résultats absurdes pour des hydrogénoïdes dont la charge du noyau
dépasse une certaine valeur et ne peut donc s'appliquer, par exemple, à l'uranium.

La théorie ne dit rien du noyau. Les protons sont tous chargés positivement. Ils devraient se
repousser fortement. Qu'est-ce qui les maintient ensemble ?

Expérimentaux.

Lorsque l'on regarde attentivement le spectre d'un atome, on constate que chaque raie du
spectre est en fait composée de plusieurs raies plus fines. On appelle d'ailleurs cela les
structures fines et hyper fines. Le modèle de Bohr ne l'explique pas.

Lorsqu'on applique un champ magnétique à l'atome, les raies se dédoublent ou se triplent,…
C'est l'effet Zeeman. Le modèle de Bohr ne peut l'expliquer.

Lorsqu'on applique un champ électrique à un atome, les raies se multiplient de manière
considérable rendant le spectre très touffu. C'est l'effet Stark. Le modèle de Bohr ne peut
l'expliquer.

On observe également de nombreuses raies, principalement dans l'infrarouge et les ondes
radios, non prédites par le modèle de Bohr et produites par les molécules.

Enfin, les raies n'ont pas toutes la même intensité. Certaines sont très brillantes, d'autres
sombres. Certaines sont même parfois manquantes. De toute évidence, certains changement
d'orbites sont plus faciles ou plus probables que d'autres. Le modèle de Bohr n'en dit rien.

Conceptuels.

Les lois ont un caractère très artificiel. On impose un certain nombre de règles sans
explications. La loi sur la stabilité, en particulier, est barbare. On ne sait pas pourquoi c'est
stable ? Et bien décrétons que c'est stable, point final ! Et bien, non, on pouvait difficilement
admettre qu'il s'agisse d'un point final.
Il s'agit plus d'un modèle, créé spécialement pour coller aux données expérimentales, plutôt
qu'une théorie de l'atome ou des particules élémentaires.

Le modèle est semi-classique. Ainsi les électrons qui tournent autour de l'atome sont
"quantifié" et les lois de l'électromagnétisme ne s'appliquent pas. Mais pour calculer
l'énergie d'un électron on utilise ces mêmes lois. Pourquoi dans un cas et pas dans l'autre ?
A partir de quand les lois classiques deviennent-elles applicables ?
Choisir d'appliquer la physique classique, un petit peu au bonheur la chance, quand ça nous
chante, est un procédé assez bancal qui rend difficile toute prédiction nouvelle.
Supposons que nous perfectionnons un peu le modèle en ajoutant un ingrédient quelconque.
Doit-on appliquer les lois de l'électromagnétisme à cet ingrédient ou pas ?

Lorsqu'un électron change d'orbite : par où passe-t-il puisque la zone entre les deux orbites
est interdite ? Un saut instantané, sans passer par cette zone, outre son caractère bizarre
semble en contradiction avec la relativité qui dit que rien ne peut aller plus vite que la
lumière.

Quel est le mécanisme d'émission de la lumière ? Le modèle de Bohr ne donnant qu'un bilan
énergétique. Y a-t-il des directions privilégiées pour l'émission des photons ? La
polarisation intervient-elle ? Toutes des questions sans réponse.
Sommerfeld améliora un peu le modèle en utilisant quelques raffinements :

L'effet de recul : sous l'effet de l'attraction de l'électron, le noyau doit lui-même avoir une légère
rotation (légère car sa masse est beaucoup plus grande).

La relativité.

En plus des orbites circulaires, la possibilité (comme pour les planètes) d'avoir des orbites
elliptiques caractérisées par un nouveau nombre entier (toutes les ellipses ne sont pas permises)
l appelé nombre quantique orbital. Cela donna une explication à la structure fine et au spectre
des molécules diatomiques.
En prenant en compte ce nouveau nombre l la règle disant que le nombre d'électrons pouvant se
placer sur une orbite est limité devenait simple. Deux électrons maximums pour un nombre n et un
nombre l donné. Pourquoi deux et pas un (ou trois) ? Mystère. Bien qu'on devine qu'il doit exister
un troisième nombre, lié à un mécanisme inconnu (on verra qu'il s'agit du "spin", équivalent à la
rotation de l'électron sur lui-même, comme une toupie), prenant uniquement deux valeurs.
Avec ces améliorations et cette règle, cela permit quelques améliorations notables mais bien
pauvres au vu de la pléthore de problèmes.
Il convient de souligner toutefois les mérites de ce modèle. Il fut le tout premier modèle décrivant
correctement la structure de l'atome et même le premier modèle utilisant des règles quantiques. En
ce sens, il s'agit d'une avancée considérable. Même éphémère et soulevant plus de questions que de
réponses, ce modèle est une étape extrêmement importante de la physique. Il fut le premier a
réellement expliquer la spectroscopie et il montre combien la découverte de la quantification de
l'énergie des ondes électromagnétiques est fondamentale et générale. La puissance de la découverte
de Planck appliquée à l'atome est réellement considérable.

[michel.]

Merci pour votre réponse, c'est bien expliqué!