Fiche de révision : Atomistique et modèles atomiques

📋 Plan du Cours

1. Origines de la théorie atomique
2. Postulats de Dalton
3. Découverte de l’électron
4. Noyau et structure atomique
5. Particules et notation atomique
6. Masse atomique et quantité de matière
7. Spectres électromagnétiques
8. Quantification du rayonnement
9. Modèle de Bohr et spectre
10. Vers le modèle ondulatoire
11. Orbitales hydrogénoïdes

📅 Repères chronologiques

1. 1803-1817Les progrès expérimentaux et l’étude des constituants de la matière permettent l’émergence d’une théorie atomique scientifique.
2. 1897J. J. Thomson met en évidence l’électron.
3. 1911Rutherford interprète l’expérience de Geiger et Marsden comme la preuve d’un noyau atomique.
4. 1932Chadwick découvre le neutron en bombardant une cible de béryllium avec un faisceau de particules.

📖 1. Origines de la théorie atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome philosophique : Constituants invisibles, différents, éternels et en mouvement de la matière.

★ À maîtriser

• Dalton reprend les travaux de Richter et de Proust sur la loi des proportions définies et introduit la loi des proportions multiples. — A new system of chemical philosophy

Compléments

• Le philosophe grec considéré comme fondateur de l’atomistique a vécu vers 360-370 av. J.-C. et le terme grec atomos signifie « insécable ».

💡 Astuce mémo

Philosophie grecque → lois des proportions → théorie de Dalton

📖 2. Postulats de Dalton

🔑 Notions clés & Définitions

• Théorie atomique de Dalton : Dalton, A new system of chemical philosophy — Décrit la matière et les réactions chimiques à partir d’atomes très petits, indivisibles et réarrangés lors des réactions.

📝 Points essentiels

• Les atomes d’un même élément sont considérés comme identiques, avec la même masse et les mêmes propriétés, tandis que les atomes d’éléments différents ont des masses et des propriétés différentes.

• Les atomes se combinent selon des rapports simples exprimés par de petits nombres entiers pour former des composés plus complexes.

• Lors d’une réaction chimique, les atomes se réarrangent pour former des composés différents sans être créés ni détruits.

📖 3. Découverte de l’électron

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle de Thomson : Sphère de matière électriquement positive dans laquelle sont plongés des électrons négatifs, l’ensemble étant électriquement neutre.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Le rapport charge sur masse de l’électron est relié aux paramètres de sa déviation dans un condensateur par $\frac{q}{m}=\frac{V_0^2+\tan\theta}{E\,l}$.

💡 Astuce mémo

Des électrons plongés dans une sphère positive, comme des raisins dans un pudding

📖 4. Noyau et structure atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle nucléaire : Rutherford, 1911 — Édifice lacunaire comprenant un minuscule noyau positif contenant presque toute la masse, autour duquel se déplacent les électrons.

💡 Astuce mémo

Atome lacunaire : noyau dense au centre, électrons autour

📖 5. Particules et notation atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Édifice électriquement neutre constitué d’un noyau dense contenant des protons et des neutrons, entouré d’un nuage d’électrons.

★ À maîtriser

• Le proton porte une charge de $+1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{C}$, le neutron une charge nulle et l’électron une charge de $-1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{C}$.

📌 Des isotopes sont des atomes d’un même élément ayant le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents.

Compléments

• Le carbone naturel comporte notamment les isotopes suivants, avec leurs abondances:
  • ¹²C : 98,8 %
  • ¹³C : 1,1 %
  • ¹⁴C : 0,000 000 000 1 %

💡 Astuce mémo

Z définit l’élément, tandis que A et les neutrons distinguent les isotopes

📖 6. Masse atomique et quantité de matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Unité de masse atomique : Définie à partir de l’atome de carbone 12, dont la masse est fixée conventionnellement à 12 u.

📝 Points essentiels

📐 Formule — La masse d’une unité de masse atomique vérifie $1\,\mathrm{u}=\frac{1}{12}m(^{12}\mathrm{C})\approx1{,}660\times10^{-27}\ \mathrm{kg}$.

📖 7. Spectres électromagnétiques

★ À maîtriser

• Les situations observées sont les suivantes:
  • Objet chaud incandescent : spectre continu
  • Gaz chaud à basse pression : spectre de raies d’émission
  • Spectre continu traversant un gaz froid : spectre de raies d’absorption

📐 Formule — Dans le vide, la longueur d’onde et la fréquence d’un rayonnement vérifient $\lambda\nu=c$, avec une vitesse de la lumière d’environ $3\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$.

Compléments

📐 Formule — Le nombre d’ondes est défini par $\sigma=\frac{1}{\lambda}$ et s’exprime en $\mathrm{cm^{-1}}$ lorsque la longueur d’onde est exprimée en centimètres.

💡 Astuce mémo

Radio → micro-ondes → infrarouge → visible → ultraviolet → rayons X → gamma

📖 8. Quantification du rayonnement

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet photoélectrique : Émission d’un ou plusieurs électrons par une matière soumise à un rayonnement électromagnétique d’énergie suffisante.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’énergie d’un photon de fréquence ν est donnée par $E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$.

📐 Formule — Dans l’interprétation photonique de l’effet photoélectrique, le bilan énergétique est $h\nu-W_s=E_c=\frac{1}{2}m_ev^2$. — Einstein, 1905

Compléments

• La constante de Planck est donnée dans le cours sous la forme $h=6{,}626\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}$.

💡 Astuce mémo

Photon absorbé → transfert d’énergie → transition ou émission électronique

📖 9. Modèle de Bohr et spectre

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle de Bohr : Neils Bohr — Décrit les systèmes atomiques comme pouvant exister seulement dans des états d’énergie discontinus, dont un état fondamental minimal.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Lors d’une transition entre deux niveaux d’énergie, l’atome émet ou absorbe un photon dont l’énergie vérifie $\Delta E=h\nu$.

📐 Formule — La formule de Rydberg relie les raies de l’hydrogène aux niveaux entiers par $\frac{1}{\lambda}=R_H\left(\frac{1}{m^2}-\frac{1}{k^2}\right)$ avec k supérieur à m.

💡 Astuce mémo

Niveaux quantifiés → transition → photon émis ou absorbé

📖 10. Vers le modèle ondulatoire

🔑 Notions clés & Définitions

• Densité de probabilité : Max Born — Selon l’interprétation de Born, le carré du module de la fonction d’onde donne la densité de probabilité de présence de la particule.

★ À maîtriser

📌 La dualité onde-corpuscule associe aux particules matérielles un comportement ondulatoire caractérisé par une longueur d’onde. — Louis-Broglie, 1926

📐 Formule — La longueur d’onde de De Broglie d’une particule de quantité de mouvement p est $\lambda=\frac{h}{p}=\frac{h}{mv}$. — Louis-Broglie, 1926

Compléments

• En 1927, Davidson et Germer confirment le caractère ondulatoire de l’électron en observant sa diffraction sur un monocristal de nickel.

💡 Astuce mémo

Dualité onde-corpuscule → fonction d’onde → probabilité de présence

📖 11. Orbitales hydrogénoïdes

🔑 Notions clés & Définitions

• Système hydrogénoïde : Atome ou ion qui ne comporte qu’un seul électron dans son cortège électronique.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Pour un système hydrogénoïde de charge nucléaire ze, l’énergie potentielle est donnée par $V=-\frac{ze^2}{4\pi\varepsilon_0}\frac{1}{r}$.

📐 Formule — Lorsque l’énergie potentielle est indépendante du temps, la fonction d’onde peut être séparée sous la forme $\psi(x,y,z,t)=\varphi(x,y,z)\Phi(t)$.

📊 Tableaux de synthèse

Modèles historiques de l’atome