Modèle de l'atome

En clair. Structure et configuration électronique.

Ce qu'on te demande au bac STL : maîtriser le vocabulaire de « Modèle de l'atome », savoir refaire les calculs ou raisonnements du cours et les appliquer à un cas concret.

Conseil de révision. Relis d'abord l'encadré, puis fais le quiz : si tu bloques, reprends la partie correspondante du cours.

1. Des premiers modèles au modèle quantique

• Dalton (1808) : l'atome est une sphère pleine et indivisible.
• Thomson (1897) : découverte de l'électron, modèle du « pudding ».
• Rutherford (1911) : l'expérience de diffusion des particules α montre que la masse est concentrée dans un noyau minuscule.
• Bohr (1913) : les électrons occupent des orbites d'énergie quantifiée.
• Modèle quantique actuel : on ne parle plus de trajectoire mais de probabilité de présence décrite par des orbitales.

Ordres de grandeur : rayon de l'atome ≈ 10⁻¹⁰ m, rayon du noyau ≈ 10⁻¹⁵ m. Le noyau est donc 100 000 fois plus petit que l'atome : la matière est essentiellement du vide.

2. Composition du noyau

Un noyau se note $^{A}_{Z}\mathrm{X}$ avec :

• $Z$ = numéro atomique = nombre de protons ;
• $A$ = nombre de masse = nombre de nucléons ;
• $N = A - Z$ = nombre de neutrons.

Deux isotopes ont le même $Z$ mais des $A$ différents (par exemple $^{12}_{6}\mathrm{C}$ et $^{14}_{6}\mathrm{C}$).

Charges : proton $+e$, électron $-e$, avec $e = 1{,}602 \times 10^{-19}$ C. Un atome neutre possède autant d'électrons que de protons.

3. Quantification de l'énergie

L'énergie d'un atome ne prend que certaines valeurs. Lors d'une transition entre deux niveaux :

$\Delta E = E_2 - E_1 = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$

avec $h = 6{,}63 \times 10^{-34}$ J·s et $c = 3{,}00 \times 10^{8}$ m·s⁻¹.

Exemple de calcul. Une transition d'énergie $\Delta E = 3{,}03$ eV, soit $3{,}03 \times 1{,}602\times10^{-19} = 4{,}85\times10^{-19}$ J, correspond à

$\lambda = \frac{6{,}63\times10^{-34} \times 3{,}00\times10^{8}}{4{,}85\times10^{-19}} \approx 4{,}1\times10^{-7}\ \mathrm{m} = 410\ \mathrm{nm}$

soit une raie violette : c'est la signature spectrale de l'atome.

4. Spectres

• Spectre d'émission de raies : l'atome excité restitue de l'énergie sous forme de photons d'énergies précises.
• Spectre d'absorption : raies noires aux mêmes longueurs d'onde.
• Application : analyse de la composition des étoiles, dosages par spectrophotométrie au laboratoire.

5. Configuration électronique

Remplissage par énergie croissante : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s… Exemple du chlore ($Z = 17$) : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. Les électrons de valence (couche externe) déterminent la réactivité chimique et la place dans le tableau périodique.

6. Erreurs fréquentes

• Confondre $A$ (nucléons) et $Z$ (protons).
• Écrire une trajectoire d'électron : le modèle quantique ne le permet pas.
• Oublier de convertir les électronvolts en joules avant d'appliquer $\Delta E = hc/\lambda$.