Fiche de révision : Structure et modèles de l’atome

📋 Plan du Cours

1. Ordres de grandeur et densité atomique
2. Expériences sur les constituants de l’atome
3. Propriétés des particules atomiques
4. Numéro atomique et charge de l’atome
5. Modèle de Bohr et niveaux d’énergie
6. Dualité onde-corpuscule
7. Modèle ondulatoire et densité électronique

📅 Repères chronologiques

1. 1911Ernest Rutherford interprète l’expérience de la feuille d’or : les noyaux positifs sont très petits et concentrent l’essentiel de la masse atomique.
2. 1913Niels Bohr propose un modèle planétaire où l’électron d’un atome d’hydrogène ou d’un ion hydrogénoïde suit une orbite circulaire à distance fixe du noyau.
3. 1924Louis de Broglie propose la dualité onde-corpuscule pour décrire l’électron.
4. 1926Erwin Schrödinger développe le modèle ondulatoire de l’atome.

📖 1. Ordres de grandeur et densité atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Densité atomique : Nombre d’atomes par unité de surface en 2D ou par unité de volume en 3D.

📝 Points essentiels

• Un angström vaut $1\,\text{Å}=10^{-10}\,\text{m}$.

• Dans l’exemple bidimensionnel de côté 2 nm, la densité atomique indiquée est de 4 nm⁻², soit 0,04 Å⁻².

• Dans l’exemple tridimensionnel de côté 5 nm, la densité atomique indiquée est de 0,216 nm⁻³.

📖 2. Expériences sur les constituants de l’atome

★ À maîtriser

• À la fin du XIXe et au début du XXe siècle, les expériences sur les rayons cathodiques mettent en évidence l’électron et un rapport charge/masse identique quels que soient le gaz et la plaque métallique utilisés.

• Les expériences de Robert Millikan sur des gouttelettes d’huile accélérées par un champ électrique déterminent la charge de l’électron et permettent d’en déduire sa masse.

Compléments

• Lors de l’expérience de Rutherford, la plupart des particules α traversent la feuille d’or sans déviation ou avec une faible déviation, tandis que quelques-unes sont réfléchies.

• L’expérience de Rutherford conduit à l’interprétation que le noyau est environ 10⁵ fois plus petit que l’atome, dont la dimension est de l’ordre de 10⁻¹⁰ m contre 10⁻¹⁵ m pour le noyau.

💡 Astuce mémo

Les déviations des particules α révèlent des noyaux positifs, petits et espacés.

📖 3. Propriétés des particules atomiques

★ À maîtriser

• Le proton a une masse de 1,672 × 10⁻²⁷ kg et une charge de +1,602 × 10⁻¹⁹ C.

• Le neutron a une masse de 1,675 × 10⁻²⁷ kg et une charge nulle.

• L’électron a une masse de 9,110 × 10⁻³¹ kg et une charge de −1,602 × 10⁻¹⁹ C.

Compléments

• La masse du proton est 1836 fois celle de l’électron.

💡 Astuce mémo

Le proton est positif, le neutron neutre et l’électron négatif.

📖 4. Numéro atomique et charge de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre de masse : Somme du nombre de protons et du nombre de neutrons du noyau.
• Numéro atomique : Nombre de protons qui détermine la place de l’élément dans la classification périodique.

★ À maîtriser

📌 Un atome neutre possède autant d’électrons que de protons ; un cation présente un déficit d’électrons et un anion un excès d’électrons.

Compléments

• Un atome comprend un noyau et au moins un électron.

💡 Astuce mémo

Un cation perd des électrons ; un anion en gagne.

📖 5. Modèle de Bohr et niveaux d’énergie

★ À maîtriser

📌 Dans le modèle de Bohr, l’énergie de l’électron est quantifiée : seules certaines valeurs, chacune correspondant à un niveau d’énergie, sont possibles.

Compléments

• Pour l’atome d’hydrogène, les niveaux illustrés sont −13,6 eV pour n = 1 et −3,4 eV pour n = 2, tandis que le seuil du continuum est 0 eV.

📌 L’hypothèse de quantification de Bohr associe la quantification au moment cinétique, avec n comme nombre quantique.

📖 6. Dualité onde-corpuscule

📝 Points essentiels

• Le passage d’électrons par une ou deux fentes produit une distribution bimodale sur l’écran, tandis que le passage d’ondes produit une alternance de minima et de maxima.

📌 Le modèle planétaire classique associe une trajectoire à chaque électron, tandis que le modèle ondulatoire quantique abandonne la notion de trajectoire.

💡 Astuce mémo

La trajectoire appartient au modèle planétaire ; les franges caractérisent le comportement ondulatoire.

📖 7. Modèle ondulatoire et densité électronique

★ À maîtriser

• La densité électronique est la probabilité de présence de l’électron par unité de volume.

Compléments

• La fonction d’onde Ψ contient, à un instant donné, toutes les informations relatives à l’état de l’électron.

• Pour l’électron, la densité électronique peut être déterminée en résolvant l’équation de Schrödinger.