Modèle de pudding aux prunes - Plum pudding model

Le modèle de pudding de prune de l'atome
Le modèle actuel de la structure subatomique implique un noyau dense entouré d'un "nuage" probabiliste d'électrons

Le modèle du plum pudding est l'un des nombreux modèles scientifiques historiques de l' atome . D'abord proposé par JJ Thomson en 1904 peu après la découverte de l' électron , mais avant la découverte du noyau atomique , le modèle tentait d'expliquer deux propriétés des atomes alors connues : que les électrons sont des particules chargées négativement et que les atomes n'ont pas de charge électrique nette. . Le modèle du plum pudding a des électrons entourés d'un volume de charge positive, comme des « prunes » chargées négativement, noyées dans un « pudding » chargé positivement .

Aperçu

On savait depuis de nombreuses années que les atomes contiennent des particules subatomiques chargées négativement . Thomson les appelait "corpuscules" ( particules ), mais ils étaient plus communément appelés "électrons", nom que GJ Stoney avait inventé pour la " quantité unitaire fondamentale d'électricité " en 1891. On savait aussi depuis de nombreuses années que les atomes ont pas de charge électrique nette. Thomson a soutenu que les atomes doivent également contenir une charge positive qui annule la charge négative de ses électrons. Thomson a publié son modèle proposé dans l'édition de mars 1904 du Philosophical Magazine , la principale revue scientifique britannique de l'époque. Du point de vue de Thomson :

... les atomes des éléments sont constitués d'un certain nombre de corpuscules électrifiés négativement enfermés dans une sphère d'électrification positive uniforme, ...

Avec ce modèle, Thomson a abandonné son hypothèse de 1890 « atome nébulaire », qui était basée sur la théorie des vortex de l'atome , dans laquelle les atomes étaient composés de vortex immatériels et a suggéré qu'il y avait des similitudes entre l'arrangement des vortex et la régularité périodique trouvés parmi les éléments chimiques. En tant que scientifique astucieux et pratique, Thomson a basé son modèle atomique sur des preuves expérimentales connues de l'époque. Sa proposition d'une charge de volume positive reflète la nature de son approche scientifique de la découverte qui consistait à proposer des idées pour guider les expériences futures.

Dans ce modèle, les orbites des électrons étaient stables car lorsqu'un électron s'éloignait du centre de la sphère chargée positivement, il était soumis à une force intérieure positive nette plus importante, car il y avait plus de charge positive à l'intérieur de son orbite (voir la loi de Gauss ). Les électrons étaient libres de tourner dans des anneaux qui étaient encore stabilisés par les interactions entre les électrons, et les mesures spectroscopiques étaient censées tenir compte des différences d'énergie associées aux différents anneaux d'électrons. Thomson a tenté en vain de remodeler son modèle pour tenir compte de certaines des principales raies spectrales connues expérimentalement pour plusieurs éléments.

Le modèle du pudding aux prunes a utilement guidé son élève, Ernest Rutherford , à concevoir des expériences pour explorer davantage la composition des atomes. En outre, le modèle de Thomson (ainsi qu'un modèle d'anneau saturnien similaire pour les électrons atomiques proposé en 1904 par Nagaoka d' après le modèle des anneaux de Saturne de James Clerk Maxwell ) étaient des prédécesseurs utiles du modèle de Bohr de l'atome, plus correct, semblable au système solaire .

Le surnom familier de "pudding aux prunes" fut bientôt attribué au modèle de Thomson, car la distribution des électrons dans sa région de l'espace chargée positivement rappelait à de nombreux scientifiques les raisins secs , alors appelés "prunes", dans le dessert anglais courant, le plum pudding .

En 1909, Hans Geiger et Ernest Marsden ont mené des expériences avec de fines feuilles d'or . Leur professeur, Ernest Rutherford, s'attendait à trouver des résultats cohérents avec le modèle atomique de Thomson. Ce n'est qu'en 1911 que Rutherford a correctement interprété les résultats de l'expérience qui impliquaient la présence d'un très petit noyau de charge positive au centre de chaque atome d'or. Cela a conduit au développement du modèle de Rutherford de l'atome. Immédiatement après que Rutherford a publié ses résultats, Antonius Van den Broek a fait la proposition intuitive que le numéro atomique d'un atome est le nombre total d'unités de charge présentes dans son noyau. Les expériences d' Henry Moseley en 1913 (voir la loi de Moseley ) ont fourni les preuves nécessaires pour soutenir la proposition de Van den Broek. La charge nucléaire effective s'est avérée cohérente avec le numéro atomique (Moseley n'a trouvé qu'une unité de différence de charge). Ce travail a abouti la même année au modèle de Bohr semblable au système solaire (mais limité quantiquement) de l'atome, dans lequel un noyau contenant un nombre atomique de charges positives est entouré d'un nombre égal d'électrons dans des couches orbitales. Comme le modèle de Thomson a guidé les expériences de Rutherford, le modèle de Bohr a guidé les recherches de Moseley.

Problèmes scientifiques connexes

Le modèle du plum pudding avec un seul électron a été utilisé en partie par le physicien Arthur Erich Haas en 1910 pour estimer la valeur numérique de la constante de Planck et le rayon de Bohr des atomes d'hydrogène. Les travaux de Haas ont estimé ces valeurs à un ordre de grandeur près et ont précédé de trois ans les travaux de Niels Bohr . Il est à noter que le modèle de Bohr lui-même fournit des prédictions raisonnables uniquement pour les systèmes atomiques et ioniques avec un seul électron effectif.

Un problème mathématique particulièrement utile lié au modèle du plum pudding est la distribution optimale de charges ponctuelles égales sur une sphère unitaire, appelée problème de Thomson . Le problème de Thomson est une conséquence naturelle du modèle du plum pudding en l'absence de sa charge de fond positive uniforme.

Le traitement électrostatique classique des électrons confinés dans les points quantiques sphériques est également similaire à leur traitement dans le modèle du plum pudding. Dans ce problème classique, la boîte quantique est modélisée comme une simple sphère diélectrique (au lieu d'une sphère uniforme chargée positivement comme dans le modèle du plum pudding) dans laquelle résident des électrons libres ou en excès. Les configurations électrostatiques d'électrons N sont exceptionnellement proches des solutions trouvées dans le problème de Thomson avec des électrons résidant au même rayon dans la sphère diélectrique. Notamment, la distribution tracée de l'énergie dépendante de la géométrie s'est avérée présenter une ressemblance remarquable avec la distribution des orbitales électroniques anticipées dans les atomes naturels, telles qu'elles sont disposées sur le tableau périodique des éléments. D'un grand intérêt, les solutions du problème de Thomson présentent cette distribution d'énergie correspondante en comparant l'énergie de chaque solution d'électrons N avec l'énergie de sa solution d'électrons (N-1) voisine avec une charge à l'origine. Cependant, lorsqu'elles sont traitées dans un modèle de sphère diélectrique, les caractéristiques de la distribution sont beaucoup plus prononcées et offrent une plus grande fidélité par rapport aux arrangements orbitaux des électrons dans les atomes réels.

Les références