Atome

L'atome (insécable, en grec) est l'élément de base qui constitue la matière. Selon le modèle "planétaire" du grand physicien danois Niels Bohr, qui date de 1913, l'atome comporte un noyau central, autour duquel gravitent les électrons, à la manière des planètes autour du soleil.

Historique

En 1913, partant du modèle de Ernest Rutherford, N. Bohr va beaucoup plus loin et se montre beaucoup plus précis dans sa description de la structure de l'atome. Les électrons, affirme-t-il, gravitent autour du noyau sur certaines orbites particulières et seulement sur ces orbites, à la manière des planètes autour du soleil. De plus, chaque orbite ne peut accueillir qu'un nombre donné d'électrons, les orbites périphériques pouvant en contenir davantage que les orbites les plus proches du noyau. Pour finir, N. Bohr explique le processus par lequel un électron peut "sauter" d'une orbite inférieure à une orbite supérieure, de niveau énergétique plus élevé, ou vice versa. Lorsqu'il retourne sur son orbitale d'origine, de niveau inférieur, l'électron émet un rayonnement lumineux, correspondant à la différence d'énergie entre les deux niveaux considérés, divisée par la constante de Planck.

Dans la première mouture de sa théorie, N. Bohr appuyait sa démonstration sur l'étude du spectre de l'atome d'hydrogène, le plus simple de tous les atomes. On appelle spectre le rapport entre la quantité d'énergie émise par un corps et la longueur d'onde. Plus l'énergie est importante, plus la longueur d'onde est courte. Ainsi, la lumière visible rayonne moins d'énergie que les rayons X (invisibles), qui ont des longueurs d'onde beaucoup plus petites. Dans le cas du spectre de l'hydrogène, la physique classique ne pouvait expliquer l'existence de raies spectrales à des fréquences bien définies, ce qui correspondait à une discontinuité dans les états d'énergie. Reprenant les travaux de Max Planck, l'inventeur de la physique quantique, N. Bohr contourne la difficulté en supposant des états stationnaires, discontinus. Les raies spectrales sont alors associées à la transition d'un état à un autre: les seuls états d'énergie autorisés sont désormais les états quantifiés. En d'autres termes, les électrons ne peuvent séjourner que sur des orbitales bien précises et ne peuvent éventuellement changer d'orbitale ("monter" ou "descendre") que sous certaines conditions, que la mécanique quantique va progressivement expliciter.

Ce modèle est certes très largement dépassé de nos jours, mais il garde tout son intérêt d'un point de vue pédagogique, car il est permet d'appréhender facilement des notions très complexes.

Bref résumé du modèle atomique de Bohr

Le noyau est composé de protons, particules élémentaires de charge électrique positive (+e), et de neutrons, sans charge.

Les électrons sont des particules de charge électrique négative (-e). Ils tournent autour du noyau sur des orbites définies, notées K, L, M...

L'atome de silicium et ses 4 électrons de valence, sur la couche périphérique.

L'ensemble de l'atome, dans son état fondamental, est électriquement neutre, car il comporte autant de protons que d'électrons.

Les électrons se répartissent, on l'a vu, sur des orbites différentes qui forment des "couches". Les couches sont remplies par les électrons dans un ordre bien déterminé. Quand une couche est "complète", c'est-à-dire quand elle accueille le nombre maximal d'électrons qui lui est attribué, ceux-ci s'assemblent par paires ("doublets"). Sinon, ils restent "célibataires". Ce sont ces électrons-là, dits "de valence", qui sont à l'origine des liaisons avec d'autres atomes.

Selon leur configuration électronique, certains atomes sont plus ou moins disposés à créer des liaisons. Dans le cas par exemple du silicium, les 4 électrons de valence favorisent une structure dite cristalline. Les atomes individuels deviennent alors des particules non neutres du point de vue électrique (ce sont des ions).

Le cristal de silicium. Les électrons de valence favorisent ce type de structure.