Modèle de Rutherford

Le modèle de Rutherford a été conçu par Ernest Rutherford pour décrire un atome . Rutherford a dirigé l' expérience Geiger-Marsden en 1909, qui a suggéré, après l'analyse de Rutherford en 1911, que le modèle de l'atome de J.J. Thomson était incorrect. Le nouveau modèle de Rutherford pour l'atome, basé sur les résultats expérimentaux, contenait de nouvelles caractéristiques telles qu'une charge centrale relativement élevée concentrée dans un très petit volume par rapport au reste de l'atome et ce volume central contenant la majeure partie de la masse de l'atome ; cette région serait connue sous le nom de noyau atomique . Le modèle de Rutherford a ensuite été remplacé par le modèle de Bohr .

Tout au long des années 1800, des idées spéculatives sur les atomes furent discutées et publiées. Le modèle de J.J. Thomson fut le premier de ces modèles à être basé sur des particules subatomiques détectées expérimentalement. Dans le même article où Thomson annonça ses résultats sur la nature « corpusculaire » des rayons cathodiques , un événement considéré comme la découverte de l' électron , il commença à spéculer sur des modèles atomiques composés d'électrons. Il développa son modèle, désormais appelé le modèle du pudding aux prunes , principalement en 1904-06. Il produisit un modèle mécanique élaboré des électrons se déplaçant dans des anneaux concentriques, mais la charge positive nécessaire pour équilibrer les électrons négatifs était une simple sphère de charge uniforme et de composition inconnue. Entre 1904 et 1910, Thomson développa des formules pour la déviation des particules bêta rapides à partir de son modèle atomique pour les comparer à l'expérience. Des travaux similaires de Rutherford utilisant des particules alpha finirent par montrer que le modèle de Thomson ne pouvait pas être correct.

Parmi les premiers modèles, on trouve également des modèles « planétaires » ou de type système solaire. Dans un article de 1901, Jean Baptiste Perrin a utilisé la découverte de Thomson dans un projet de modèle de type système solaire pour les atomes, avec des « soleils positifs » très fortement chargés entourés de « corpuscules, une sorte de petites planètes négatives », où le mot « corpuscules » fait référence à ce que nous appelons aujourd'hui les électrons. Perrin a discuté de la manière dont cette hypothèse pourrait être liée à des phénomènes importants alors inexpliqués comme l' effet photoélectrique , les spectres d'émission et la radioactivité . Perrin a plus tard attribué à Rutherford la découverte du modèle nucléaire.

Un modèle quelque peu similaire proposé par Hantaro Nagaoka en 1904 utilisait les anneaux de Saturne comme analogue. Les anneaux étaient constitués d'un grand nombre de particules qui se repoussaient les unes les autres mais étaient attirées par une grande charge centrale. Cette charge a été calculée comme étant 10 000 fois supérieure à la charge des particules de l'anneau pour la stabilité. George A. Schott a montré en 1904 que le modèle de Nagaoka ne pouvait pas être cohérent avec les résultats de la spectroscopie atomique et le modèle est tombé en disgrâce.

Le modèle nucléaire de l'atome de Rutherford est né d'une série d'expériences avec des particules alpha , une forme de rayonnement découverte par Rutherford en 1899. Ces expériences ont démontré que les particules alpha se « dispersaient » ou rebondissaient sur les atomes d'une manière qui n'était pas conforme aux prévisions du modèle de Thomson. En 1908 et 1910, Hans Geiger et Ernest Marsden, dans le laboratoire de Rutherford, ont montré que les particules alpha pouvaient parfois être réfléchies par des feuilles d'or. Si Thomson avait raison, le faisceau traverserait la feuille d'or avec de très petites déflexions. Dans l'expérience, la majeure partie du faisceau a traversé la feuille, mais quelques-unes ont été déviées.

Dans un article de mai 1911, Rutherford présenta son propre modèle physique de structure subatomique, comme interprétation des résultats expérimentaux inattendus. Dans ce document, l'atome est constitué d'une charge centrale (il s'agit du noyau atomique moderne , bien que Rutherford n'ait pas utilisé le terme « noyau » dans son article). Rutherford ne s'est intéressé qu'à une petite région centrale de charge positive ou négative très élevée dans l'atome.

Pour être plus concret, considérons le passage d'une particule α à grande vitesse à travers un atome ayant une charge centrale positive N e , et entouré d'une charge compensatoire de N électrons.

En se basant uniquement sur des considérations énergétiques concernant la distance à laquelle des particules de vitesse connue seraient capables de pénétrer vers une charge centrale de 100 e, Rutherford a pu calculer que le rayon de sa charge centrale d'or devrait être inférieur (on ne pouvait pas dire de combien) à 3,4 × 10 ⁻¹⁴ mètres. Il s'agissait d'un atome d'or dont le rayon était connu pour être de 10 ⁻¹⁰ mètres environ, une découverte très surprenante, car elle impliquait une forte charge centrale inférieure à 1/3000e du diamètre de l'atome.

Le modèle de Rutherford a permis de concentrer une grande partie de la charge et de la masse de l'atome dans un très petit noyau, mais n'a attribué aucune structure aux électrons restants et à la masse atomique restante. Il a mentionné le modèle atomique de Hantaro Nagaoka , dans lequel les électrons sont disposés en un ou plusieurs anneaux, avec la structure métaphorique spécifique des anneaux stables de Saturne. Le modèle du pudding aux prunes de J. J. Thomson avait également des anneaux d'électrons en orbite.

L'article de Rutherford suggérait que la charge centrale d'un atome pourrait être « proportionnelle » à sa masse atomique en unités de masse d'hydrogène u (environ la moitié de celle-ci, dans le modèle de Rutherford). Pour l'or, ce nombre de masse est 197 (pas connu à l'époque avec une grande précision) et a donc été modélisé par Rutherford comme étant peut-être 196 u. Cependant, Rutherford n'a pas tenté d'établir un lien direct entre la charge centrale et le numéro atomique , car le « numéro atomique » de l'or (à l' époque simplement son numéro de place dans le tableau périodique ) était 79, et Rutherford avait modélisé la charge comme étant d'environ +100 unités (il avait en fait suggéré 98 unités de charge positive, pour faire la moitié de 196). Ainsi, Rutherford n'a pas formellement suggéré que les deux nombres (place du tableau périodique, 79, et charge nucléaire, 98 ou 100) pourraient être exactement les mêmes.

En 1913, Antonius van den Broek suggéra que la charge nucléaire et le poids atomique n'étaient pas liés, ouvrant la voie à l'idée que le numéro atomique et la charge nucléaire étaient identiques. Cette idée fut rapidement reprise par l'équipe de Rutherford et confirmée expérimentalement deux ans plus tard par Henry Moseley .

Voici les indicateurs clés :

• Le nuage électronique de l'atome n'influence pas (substantiellement) la diffusion des particules alpha .
• Une grande partie de la charge positive d'un atome est concentrée dans un volume relativement petit au centre de l'atome, connu aujourd'hui sous le nom de noyau . L'ampleur de cette charge est proportionnelle à la masse atomique de l'atome (jusqu'à un nombre de charge qui peut être environ la moitié de celle-ci) ; on sait maintenant que la masse restante est principalement attribuée aux neutrons . Cette masse et cette charge centrales concentrées sont responsables de la déviation des particules alpha et bêta .
• La masse des atomes lourds tels que l'or est principalement concentrée dans la région de charge centrale, car les calculs montrent qu'elle n'est pas déviée ou déplacée par les particules alpha à grande vitesse, qui ont un élan très élevé par rapport aux électrons, mais pas par rapport à un atome lourd dans son ensemble.
• L'atome lui-même mesure environ 100 000 (10 ⁵ ) fois le diamètre du noyau. Cela pourrait être comparé au fait de placer un grain de sable au milieu d'un terrain de football .

Le nouveau modèle atomique de Rutherford n'a provoqué aucune réaction au début. Rutherford ignore explicitement les électrons, ne mentionnant que le modèle saturnien de Hantaro Nagaoka . En ignorant les électrons, Rutherford ignore également toute implication potentielle de la spectroscopie atomique pour la chimie. Rutherford lui-même n'a pas insisté sur son modèle atomique dans les années suivantes : son propre livre de 1913 sur « Les substances radioactives et leurs radiations » ne mentionne l'atome que deux fois ; d'autres livres d'autres auteurs de la même époque se concentrent sur le modèle de Thomson.

L'impact du modèle nucléaire de Rutherford est apparu après l'arrivée de Niels Bohr comme étudiant postdoctoral à Manchester à l'invitation de Rutherford. Bohr a abandonné ses travaux sur le modèle de Thomson en faveur du modèle nucléaire de Rutherford, développant le modèle Rutherford-Bohr au cours des années suivantes. Finalement, Bohr a incorporé les premières idées de la mécanique quantique dans le modèle de l'atome, permettant la prédiction des spectres électroniques et des concepts de chimie.

Après la découverte de Rutherford, des recherches ultérieures ont permis de déterminer la structure atomique qui a conduit à l' expérience de la feuille d'or de Rutherford . Les scientifiques ont finalement découvert que les atomes ont un noyau chargé positivement (avec un nombre atomique de charges) au centre, avec un rayon d'environ 1,2 × 10 ⁻¹⁵ mètres × [numéro de masse atomique] ^{1 ⁄ 3} . Les électrons se sont avérés encore plus petits.