25.5. Modèles classiques de l’atome
Figure 25.2 Expérience de J. Franck et G. Hertz
Les électrons émis à vitesse négligeable par la cathode du tube à vapeur de mercure sont
accélérés par la tension U entre grille G et cathode K. Les électrons qui n’ont subi que
des collisions élastiques avec les atomes de mercure (c’est-à-dire sans perte d’énergie
cinétique) traversent la grille et sont recueillis par l’anode A ; les électrons ayant subi
des collisions inélastiques au cours de leur accélération ont perdu à chaque fois leur
énergie cinétique (au profit d’un atome dont l’état interne a été modifié) avant d’être
réaccélérés et, ne pouvant franchir la petite tension « décélératrice » appliquée entre G et
A, sont recueillis par la grille. Faisant croître U, on constate des chutes de courant d’anode
séparées de DU et correspondant à des électrons ayant subi une, deux, ... collisions
inélastiques, DU s’expliquant par le passage des atomes à un niveau excité ; on observe
aussi l’émission de lumière de fréquence n = e · DU / h, due à la désexcitation des atomes.
e · DU ≈ 4,9 V est l’énergie de passage à un niveau excité. Une courbe Ia(U) plus précise
fait apparaître l’énergie d’excitation à d’autres niveaux (4,7 V, 5,3 V, ...).
25.5 MODÈLES CLASSIQUES DE L’ATOME
25.5.1 Modèle de Thomson
Le premier modèle de l’atome (J.J. Thomson, 1897) est une sphère de charge positive
répartie uniformément en volume, dans laquelle les électrons ponctuels peuvent se
déplacer ; le mouvement ou la mise en mouvement des électrons (vibration ou rotation)
peut expliquer l’émission ou l’absorption de lumière. Un succès du modèle est d’avoir
permis d’interpréter une expérience de diffusion de rayons X pour obtenir le numéro
atomique Z d’un atome (C.G. Barkla, 1911).
25.5.2 Modèle planétaire
Après avoir identifié les particules a émises par une source
radioactive (particules petites, de faible masse et d’énergie
cinétique d’environ 8,6 MeV), E. Rutherford (1911) réalise
une expérience de diffusion de particules a par une feuille
d’or (les atomes d’or sont lourds et restent immobiles). L’observation d’a diffusés vers l’arrière invalide le modèle de
Thomson ; aucun a n’aurait dû être dévié de plus de 1
◦ car, d’après le théorème de
Gauss en électrostatique, le champ électrique produit en chaque point de l’espace par
une sphère uniformément chargée en volume reste petit (il est nul au centre et maximal
©
Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
481
“Gautron_9782100543007” (Col. : ScienceSup3-193x250) — 2010/6/15 — 17:13 — page 481 — #491
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Les électrons émis à vitesse négligeable par la cathode du tube à vapeur de mercure sont
accélérés par la tension U entre grille G et cathode K. Les électrons qui n’ont subi que
des collisions élastiques avec les atomes de mercure (c’est-à-dire sans perte d’énergie
cinétique) traversent la grille et sont recueillis par l’anode A ; les électrons ayant subi
des collisions inélastiques au cours de leur accélération ont perdu à chaque fois leur
énergie cinétique (au profit d’un atome dont l’état interne a été modifié) avant d’être
réaccélérés et, ne pouvant franchir la petite tension « décélératrice » appliquée entre G et
A, sont recueillis par la grille. Faisant croître U, on constate des chutes de courant d’anode
séparées de DU et correspondant à des électrons ayant subi une, deux, ... collisions
inélastiques, DU s’expliquant par le passage des atomes à un niveau excité ; on observe
aussi l’émission de lumière de fréquence n = e · DU / h, due à la désexcitation des atomes.
e · DU ≈ 4,9 V est l’énergie de passage à un niveau excité. Une courbe Ia(U) plus précise
fait apparaître l’énergie d’excitation à d’autres niveaux (4,7 V, 5,3 V, ...).
25.5 MODÈLES CLASSIQUES DE L’ATOME
25.5.1 Modèle de Thomson
Le premier modèle de l’atome (J.J. Thomson, 1897) est une sphère de charge positive
répartie uniformément en volume, dans laquelle les électrons ponctuels peuvent se
déplacer ; le mouvement ou la mise en mouvement des électrons (vibration ou rotation)
peut expliquer l’émission ou l’absorption de lumière. Un succès du modèle est d’avoir
permis d’interpréter une expérience de diffusion de rayons X pour obtenir le numéro
atomique Z d’un atome (C.G. Barkla, 1911).
25.5.2 Modèle planétaire
Après avoir identifié les particules a émises par une source
radioactive (particules petites, de faible masse et d’énergie
cinétique d’environ 8,6 MeV), E. Rutherford (1911) réalise
une expérience de diffusion de particules a par une feuille
d’or (les atomes d’or sont lourds et restent immobiles). L’observation d’a diffusés vers l’arrière invalide le modèle de
Thomson ; aucun a n’aurait dû être dévié de plus de 1
◦ car, d’après le théorème de
Gauss en électrostatique, le champ électrique produit en chaque point de l’espace par
une sphère uniformément chargée en volume reste petit (il est nul au centre et maximal
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