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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Modèle planétaire de l'atome. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes Dans la première théorie atomique Dalton on supposait que le monde se composait d'un certain nombre d'atomes - des briques élémentaires - aux propriétés caractéristiques, éternelles et immuables. Ces idées ont radicalement changé après la découverte de l'électron. Tous les atomes doivent contenir des électrons. Mais comment y sont disposés les électrons ? Les physiciens ne pouvaient philosopher que sur la base de leurs connaissances en physique classique, et peu à peu tous les points de vue convergeaient vers un modèle proposé par J.J. Thomson. Selon ce modèle, un atome est constitué d'une substance chargée positivement avec des électrons intercalés (peut-être dans beaucoup de mouvement) de sorte que l'atome ressemble à un pudding aux raisins secs. Le modèle de l'atome de Thomson n'a pas pu être testé directement, mais toutes sortes d'analogies ont témoigné en sa faveur. En 1903, le physicien allemand Philipp Lenard a proposé un modèle d'atome "vide", à l'intérieur duquel "volent" des particules neutres non découvertes, composées de charges positives et négatives mutuellement équilibrées. Lenard a même donné un nom à ses particules inexistantes - les dynamides... Cependant, le seul dont le droit d'exister a été prouvé par des expériences strictes, simples et belles était le modèle de Rutherford. Ernest Rutherford (1871-1937) est né près de la ville de Nelson (Nouvelle-Zélande) dans la famille d'un migrant écossais. Après avoir été diplômé de l'école de Havelock, où la famille vivait à l'époque, il a reçu une bourse pour poursuivre ses études au Nelson Provincial College, où il est entré en 1887. Deux ans plus tard, Ernest a réussi l'examen au Canterbury College, une branche de l'Université de Nouvelle-Zélande à Crichester. Au collège, Rutherford est fortement influencé par ses professeurs : le professeur de physique et de chimie E.W. Bickerton et le mathématicien J.H.H. Cuisiner. Après avoir obtenu un baccalauréat ès arts en 1892, Rutherford est resté au Canterbury College et a poursuivi ses études grâce à une bourse en mathématiques. L'année suivante, il devient maître ès arts, après avoir réussi les examens de mathématiques et de physique avec les meilleurs de tous. En 1894, son premier ouvrage publié, Magnetization of Iron by High-Frequency Discharges, est paru dans les New Zealand Philosophical Institute Proceedings. En 1895, une bourse d'études scientifiques est vacante, le premier candidat à cette bourse est refusé pour des raisons familiales, le deuxième candidat est Rutherford. Arrivé en Angleterre, Rutherford reçoit une invitation de J. J. Thomson pour travailler à Cambridge dans le laboratoire Cavendish. En 1898, Rutherford accepta un poste de professeur à l'Université McGill de Montréal, où il entreprit une série d'expériences importantes concernant l'émission radioactive de l'élément uranium. Au Canada, il fait des découvertes fondamentales : il découvre l'émanation du thorium et démêle la nature de la soi-disant « radioactivité induite » ; avec Soddy, il a découvert la désintégration radioactive et sa loi. Ici, il a écrit le livre "Radioactivité". Dans leur ouvrage classique, Rutherford et Soddy ont abordé la question fondamentale de l'énergie des transformations radioactives. En calculant l'énergie des particules k émises par le radium, ils arrivent à la conclusion que "l'énergie des transformations radioactives est au moins 20 000 fois, et peut-être même un million de fois supérieure à l'énergie de toute transformation moléculaire". Rutherford et Soddy ont conclu que "l'énergie cachée dans l'atome est plusieurs fois supérieure à l'énergie libérée lors d'une transformation chimique ordinaire". Cette énorme énergie, à leur avis, devrait être prise en compte "lors de l'explication des phénomènes de la physique spatiale". En particulier, la constance de l'énergie solaire peut s'expliquer par le fait que "des processus de transformation subatomique se déroulent sur le Soleil". L'énorme portée des travaux scientifiques de Rutherford à Montréal - il a publié 66 articles à la fois personnellement et conjointement avec d'autres scientifiques, sans compter le livre "Radioactivity" - a valu à Rutherford la renommée d'un chercheur de premier ordre. Il reçoit une invitation à prendre la chaire à Manchester. Le 24 mai 1907, Rutherford retourna en Europe. Une nouvelle période de sa vie commence. En 1908, Rutherford a reçu le prix Nobel de chimie "pour ses recherches sur la désintégration des éléments dans la chimie des substances radioactives". L'année suivante, Rutherford défia Ernest Marsden de découvrir si les particules alpha pouvaient rebondir sur la feuille d'or. Rutherford était absolument convaincu que les particules alpha massives ne devaient subir que des déviations mineures lorsqu'elles traversaient une feuille d'or. La plupart d'entre eux ont en fait traversé le papier d'aluminium, ne s'écartant que faiblement. Mais certaines particules alpha - environ une sur 20 000, comme l'a noté Marsden - étaient courbées à des angles supérieurs à 90 degrés. Marsden avait même peur d'en parler à Rutherford et s'assura soigneusement au début qu'il n'y avait pas d'erreur dans ses expériences. Rutherford ne croyait presque pas à ce résultat d'observations. De nombreuses années plus tard, Rutherford se souvient : "C'était peut-être l'événement le plus incroyable que j'ai jamais vécu dans ma vie. C'était aussi invraisemblable que si vous tiriez un projectile de 15 pouces sur un morceau de papier de soie et qu'il revenait et vous frappait. ." Mais je devais croire à l'invraisemblable et, en 1911, Rutherford arriva à la conclusion que les résultats d'expériences sur la diffusion de particules alpha par une feuille d'or ne pouvaient s'expliquer qu'en supposant que les particules alpha passent à une très petite distance d'autres particules chargées positivement. particules de tailles bien inférieures aux tailles atomiques. L'atome d'or doit être constitué d'un petit noyau chargé positivement et d'électrons environnants. Ce fut la naissance de l'idée du noyau atomique et d'une nouvelle branche de la physique - la physique nucléaire. Cette idée n'était pas entièrement nouvelle en 1911. Il a été proposé plus tôt par Johnston Stoney, le physicien japonais Nagaoka et quelques autres scientifiques. Mais toutes ces hypothèses étaient purement spéculatives, tandis que l'idée de Rutherford était basée sur l'expérience. Les résultats des expériences qui ont conduit Rutherford à l'idée de la structure planétaire de l'atome, le scientifique a décrit dans un grand article "La diffusion des particules alpha et bêta dans la substance et la structure de l'atome", publié en mai 1911 dans le "Philosophical Journal" anglais. Les physiciens du monde entier pouvaient désormais évaluer un autre modèle, cette fois confirmé expérimentalement de manière convaincante, de la structure de l'atome... Rutherford était infatigable. Et puis il a entrepris une nouvelle étude : il a commencé à déterminer le nombre de particules alpha déviées par la feuille à différents angles en fonction de la charge électrique des noyaux des atomes de la substance à partir de laquelle la feuille a été fabriquée. La patience des chercheurs a été récompensée. En analysant les résultats de ces expériences, Rutherford a dérivé une formule reliant le nombre de particules alpha déviées d'un certain angle à la charge nucléaire de la substance de la feuille cible. Il était désormais possible de déterminer la nature du matériau cible à partir d'expériences sur la diffusion des particules alpha. La première méthode nucléaire d'analyse chimique est apparue entre les mains des chercheurs ! Les scientifiques ont comparé le comportement de cibles constituées de divers matériaux et ont découvert que plus la charge nucléaire était élevée, plus les particules alpha s'écartaient d'une trajectoire rectiligne. Et ici, pour la première fois, des expériences physiques ont levé le voile du secret sur la loi périodique des éléments. Des expériences de Rutherford, il s'ensuit que si Mendeleev arrangé les éléments dans une rangée à mesure que la charge de leurs noyaux augmentait, alors aucune permutation ne serait nécessaire ! Les physiciens ont clarifié la formulation de la loi périodique, les propriétés chimiques des éléments dépendent périodiquement non pas de la masse atomique des éléments, mais de la charge électrique de leurs noyaux. C'est en fonction de l'ampleur de la charge des noyaux que les éléments s'alignent dans l'ordre dans lequel Mendeleïev les a placés, en s'appuyant sur sa connaissance encyclopédique des propriétés chimiques des éléments... Qu'est-ce qui empêche un électron de tomber sur un noyau massif ? Bien sûr, la rotation rapide autour d'elle. Mais dans le processus de rotation avec accélération dans le champ du noyau, l'électron doit rayonner une partie de son énergie dans toutes les directions et, en décélérant progressivement, tomber néanmoins sur le noyau. Cette pensée a hanté les auteurs du modèle planétaire de l'atome. Le prochain obstacle sur la voie du nouveau modèle physique, semblait-il, était de détruire l'image entière de la structure atomique, construite avec tant de difficulté et prouvée par des expériences claires... Rutherford était sûr qu'une solution serait trouvée, mais il ne pouvait pas imaginer que cela arriverait si tôt. Le défaut du modèle planétaire de l'atome sera corrigé par le physicien danois Niels Bohr. Presque au même moment où les scientifiques du monde entier recevaient un numéro du "Philosophical Journal" avec l'article de Rutherford sur la structure de l'atome, Niels Bohr, âgé de vingt-cinq ans, défendait avec succès sa thèse sur la théorie électronique des métaux. à l'Université de Copenhague. Le physicien danois Niels Henrik David Bohr (1885–1962) est né à Copenhague, le deuxième des trois enfants de Christian Bohr et Ellen (née Adler) Bohr. Son père était un professeur renommé de physiologie à l'Université de Copenhague. Il étudie à la Gammelholm Grammar School de Copenhague et obtient son diplôme en 1903. Bohr et son frère Harald, qui est devenu un mathématicien célèbre, étaient des joueurs de football passionnés pendant leurs années d'école. Plus tard, Nils aimait le ski et la voile. Si à l'école Niels Bohr était généralement considéré comme un étudiant aux capacités ordinaires, à l'Université de Copenhague, son talent l'a très vite fait parler de lui. Niels était reconnu comme un chercheur exceptionnellement compétent. Son projet de fin d'études, dans lequel il a déterminé la tension superficielle de l'eau à partir de la vibration d'un jet d'eau, lui a valu une médaille d'or de l'Académie royale des sciences du Danemark. En 1907, il devient célibataire. Il a obtenu sa maîtrise à l'Université de Copenhague en 1909. Sa thèse de doctorat sur la théorie des électrons dans les métaux était considérée comme une étude théorique magistrale. En 1911, Bohr décide de se rendre à Cambridge pour travailler quelques mois dans le laboratoire de J. J. Thomson, le découvreur de l'électron. La mère de Niels et son frère Harald ont approuvé l'idée. Peut-être que sa fiancée Margaret n'était pas très heureuse, mais elle a également accepté. Bohr réfléchit alors péniblement au modèle de Rutherford et chercha des explications convaincantes sur ce qui se passe évidemment dans la nature malgré tous les doutes : les électrons, sans tomber sur le noyau et sans s'en éloigner, tournent constamment autour de leur noyau. Voici ce qu'écrivent K. Manolov et V. Tyutyunnik dans le livre "Biographie de l'atome": "Si l'hydrogène n'a qu'un seul électron, comment expliquer le fait qu'il émette plusieurs longueurs d'onde différentes de rayons lumineux ?" pensa Bor. Il revint à nouveau à la théorie de Nicholson. L'excellent accord entre les rapports de longueur d'onde calculés et observés des spectres est un argument fort en faveur de cette théorie. Cependant, Nicholson identifie la fréquence du rayonnement avec la fréquence des vibrations d'un système mécanique. Mais les systèmes dans lesquels la fréquence est fonction de l'énergie ne peuvent pas émettre une quantité finie de rayonnement homogène, car leur fréquence changera au cours du rayonnement. De plus, les systèmes calculés par Nicholson seront instables pour certaines formes de mode. Enfin, la théorie de Nicholson ne peut pas expliquer les lois sérielles de Balmer et de Rydberg. - Hansen, je pense qu'il y a une réponse ! dit Bor. - A l'aide de la condition de stabilité de l'orbite de l'électron dans l'atome que j'ai dérivée, il est possible de calculer la vitesse de l'électron dans l'orbite, son rayon et l'énergie totale de l'électron dans n'importe quelle orbite. De plus, toutes les formules contiennent le même facteur, le soi-disant nombre quantique, qui prend les mêmes valeurs entières 1, 2, 3, 4, etc. Chacun de ces nombres correspond à un certain rayon de l'orbite... - Bohr s'arrêta un peu et continua. - Eh bien, bien sûr, maintenant tout est clair. Un atome ne peut exister sans émettre d'énergie que dans certains états stationnaires, chacun étant caractérisé par sa propre valeur énergétique. Si un électron se déplace d'une orbite à une autre, l'atome émet ou absorbe de l'énergie sous forme de portions spéciales - quanta !.. - Alors c'est ça le secret ! s'exclama Hansen. - Ainsi, le spectre d'un atome reflète sa structure ! - Maintenant, tout se met en place. On comprend pourquoi l'atome d'hydrogène émet plusieurs types de rayons. Si on numérote les orbites, en commençant par celle la plus proche du noyau, alors on peut dire que l'électron saute de la quatrième à la première, de la troisième à la première, de la troisième à la deuxième orbite, etc. Chaque saut est accompagnée de l'émission de lumière de la longueur d'onde correspondante. J'espère vraiment que je pourrai trouver une dépendance quantitative... En 1913, Niels Bohr publie les résultats de longues réflexions et calculs, dont les plus importants sont depuis connus sous le nom de postulats de Bohr : il y a toujours un grand nombre d'orbites stables et strictement définies dans l'atome, le long desquelles un électron peut se précipiter indéfiniment , parce que toutes les forces agissant sur lui sont équilibrées ; Un électron ne peut se déplacer dans un atome que d'une orbite stable à une autre également stable. Si, lors d'une telle transition, l'électron s'éloigne du noyau, il est alors nécessaire de lui communiquer de l'extérieur une certaine quantité d'énergie égale à la différence de réserve d'énergie de l'électron dans les orbites supérieure et inférieure. Si un électron s'approche du noyau, il "réinitialise" l'excès d'énergie sous forme de rayonnement ... Probablement, les postulats de Bohr auraient pris une place modeste parmi un certain nombre d'explications intéressantes de nouveaux faits physiques obtenues par Rutherford, si ce n'était pour une circonstance importante. Bohr, en utilisant les relations qu'il a trouvées, a pu calculer les rayons des orbites "autorisées" pour un électron dans un atome d'hydrogène. Connaissant la différence entre les énergies d'un électron dans ces orbites, il a été possible de construire une courbe décrivant le spectre d'émission de l'hydrogène dans divers états excités et de déterminer quelle longueur d'onde l'atome d'hydrogène devrait émettre particulièrement facilement si un excès d'énergie lui est fourni par l'extérieur, par exemple, en utilisant des lampes à lumière vive au mercure. Cette courbe théorique coïncidait complètement avec le spectre d'émission des atomes d'hydrogène excités, mesuré par le scientifique suisse J. Balmer en 1885 ! Le modèle planétaire de l'atome a reçu un soutien puissant, Rutherford et Bohr avaient de plus en plus de partisans. Auteur : Samin D.K.
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