Fiche de révision : Premiers modèles de l’atome

📋 Plan du Cours

1. Origines et découvertes atomiques
2. Structure et propriétés de l’atome
3. Mole et masses atomiques
4. Limites des modèles classiques
5. Ondes et spectre électromagnétique
6. Quanta et effet photoélectrique
7. Spectres et modèle de Bohr

📅 Repères chronologiques

1. 1869Mendeleïev introduit le tableau périodique des éléments en les classant selon leur masse atomique.
2. 1885L’étude du spectre de l’atome d’hydrogène, notamment la série de Balmer, met en évidence un spectre discontinu.
3. 1897L’électron est découvert et Thomson propose le premier modèle subatomique.
4. 1900Planck propose la théorie des quanta, selon laquelle l’énergie échangée par le rayonnement est quantifiée.
5. 1905Einstein interprète l’effet photoélectrique en introduisant une lumière constituée de photons.
6. 1912La découverte du noyau conduit Rutherford à proposer un modèle planétaire de l’atome.

📖 1. Origines et découvertes atomiques

📝 Points essentiels

• Le mot « atome » vient du grec a-tomos, qui signifie « insécable », chez les philosophes grecs vers 400 av. J.-C.

• Au XVIIe et au XVIIIe siècles, les premières théories atomiques proposent que les atomes s’associent en molécules, notamment avec Lavoisier et Dalton.

💡 Astuce mémo

Grecs → théories atomiques → Mendeleïev → électron → noyau

📖 2. Structure et propriétés de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau entouré d’un cortège électronique contenant Z électrons.
• Nucléons : Les protons et les neutrons qui constituent le noyau atomique.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le nombre de masse A est égal à la somme du nombre de protons Z et du nombre de neutrons N : $A = Z + N$.

• La cohésion du noyau est assurée par les forces nucléaires fortes, de très courte portée et beaucoup plus fortes que les interactions électrostatiques et gravitationnelles.

📌 Des atomes isotopes possèdent le même nombre de protons Z mais des nombres de neutrons N différents, tandis que des atomes isobares possèdent le même nombre de masse A mais des nombres Z différents.

Compléments

• Il existe 118 éléments chimiques connus, dont 92 naturels, ainsi qu’environ 1500 nucléides, dont 300 naturels.

💡 Astuce mémo

Isotopes : même Z ; isobares : même A

📖 3. Mole et masses atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Mole : La quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 12 g de carbone 12.
• Élément chimique : Un mélange d’isotopes dont les proportions, appelées abondances naturelles isotopiques, restent constantes.

📝 Points essentiels

• Le nombre d’Avogadro vaut $N_A = 6{,}02205 \times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}$.

• L’unité de masse atomique vaut 1/12 de la masse d’un atome de carbone 12, soit $1\ \mathrm{u} = 1{,}66057 \times 10^{-27}\ \mathrm{kg}$.

📐 Formule — La masse molaire d’un élément vérifie $M = \sum_i x_i M_i$, où xᵢ est l’abondance naturelle de l’isotope i et Mᵢ sa masse molaire.

📖 4. Limites des modèles classiques

★ À maîtriser

• 🔄 La théorie classique prévoit la séquence suivante:
  1. L’électron accéléré perd continûment de l’énergie
  2. L’électron tombe sur le noyau
  3. L’atome devient instable

Compléments

📌 Le modèle planétaire de Rutherford représente un noyau central entouré d’électrons, tandis que le modèle globulaire de Thomson décrit une répartition différente de la charge positive et des électrons.

💡 Astuce mémo

Électron accéléré → chute sur le noyau → atome instable

📖 5. Ondes et spectre électromagnétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde électromagnétique : Une onde électromagnétique composée d’un champ électrique E et d’un champ magnétique B.
• Corps noir : Un objet idéal qui absorberait toute l’énergie électromagnétique reçue sans en réfléchir ni en transmettre.

★ À maîtriser

• La théorie de Maxwell explique notamment:
  • la réflexion
  • la réfraction
  • les interférences
  • la diffraction

Compléments

📐 Formule — La célérité de la lumière vaut $c = 2{,}998 \times 10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$.

💡 Astuce mémo

Onde : champs E et B ; corpuscule : photon

📖 6. Quanta et effet photoélectrique

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour un rayonnement monochromatique de fréquence ν, l’énergie d’un quantum vaut $E = h\nu = \hbar\omega$, avec $\omega = 2\pi\nu$.

• Les photons sont des particules de masse et de charge nulles.

Compléments

📐 Formule — Lors de l’effet photoélectrique, l’énergie du photon vérifie $h\nu = W_0 + \frac{1}{2}m_e v^2$, où W₀ est le travail d’extraction.

📖 7. Spectres et modèle de Bohr

★ À maîtriser

📌 Un spectre d’absorption est obtenu lorsque la matière absorbe de l’énergie, tandis qu’un spectre d’émission est obtenu lorsque la matière se désexcite.

📐 Formule — La formule empirique de Ritz relie la longueur d’onde des raies de l’hydrogène par $\frac{1}{\lambda}=R_H\left(\frac{1}{n^2}-\frac{1}{p^2}\right)$, avec n et p entiers et p supérieur à n.

• Le postulat de Bohr quantifie le moment cinétique de l’électron et conduit à des rayons et des énergies atomiques quantifiés par le nombre n.

📐 Formule — Pour une transition entre deux niveaux, l’énergie du photon absorbé ou émis vaut $\Delta E = E_{n_2}-E_{n_1}=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$.

📌 Le modèle de Bohr explique correctement le spectre de l’atome d’hydrogène et des systèmes hydrogénoïdes à un seul électron, mais son application s’arrête au-delà de ces systèmes.

Compléments

📐 Formule — La constante de Rydberg relative à l’hydrogène vaut $R_H = 1{,}096775 \times 10^7\ \mathrm{m^{-1}}$.

• Dans la série de Balmer, le nombre quantique n vaut 2 et p est supérieur à 2.

💡 Astuce mémo

Niveaux quantifiés → absorption ou émission → raies spectrales

📊 Tableaux de synthèse

Isotopes et isobares