La théorie atomique est une description scientifique de la nature de des atomes et matière qui combine des éléments de physique, de chimie et de mathématiques. Selon la théorie moderne, la matière est constituée de minuscules particules appelées atomes, qui sont à leur tour constituées de particules subatomiques. Atomes d'un donné élément sont identiques à bien des égards et différents des atomes d'autres éléments. Les atomes se combinent en fixe proportions avec d'autres atomes pour former molécules et composés.
La théorie a évolué au fil du temps, de la philosophie de l'atomisme à la mécanique quantique moderne. Voici une brève histoire de la théorie atomique:
La théorie atomique est née comme un concept philosophique dans l'Inde et la Grèce antiques. Le mot "atome" vient du mot grec ancien atomos, ce qui signifie indivisible. Selon l'atomisme, la matière est constituée de particules discrètes. Cependant, la théorie était l'une des nombreuses explications de la matière et n'était pas basée sur des données empiriques. Au cinquième siècle avant notre ère, Démocrite a proposé que la matière se compose d'unités indestructibles et indivisibles appelées atomes. Le poète romain Lucretius a enregistré l'idée, donc elle a survécu à travers les âges sombres pour une considération ultérieure.
Il a fallu attendre la fin du XVIIIe siècle pour que la science apporte des preuves concrètes de l'existence d'atomes. En 1789, Antoine Lavoisier a formulé la loi de conservation de la masse, qui stipule que la masse des produits d'une réaction est la même que la masse des réactifs. Dix ans plus tard, Joseph Louis Proust a proposé la loi des proportions définies, qui stipule que les masses d'éléments dans un composé se produisent toujours dans la même proportion.
Ces théories ne faisaient pas encore référence aux atomes John Dalton construit sur eux pour développer la loi des proportions multiples, qui stipule que les rapports des masses d'éléments dans un composé sont de petits nombres entiers. La loi de Dalton à proportions multiples s'est inspirée de données expérimentales. Il a proposé que chaque élément chimique se compose d'un seul type d'atome qui ne pourrait être détruit par aucun moyen chimique. Sa présentation orale (1803) et sa publication (1805) marquent le début de la théorie atomique scientifique.
En 1811, Amedeo Avogadro a corrigé un problème avec la théorie de Dalton en proposant que des volumes égaux de gaz à température et pression égales contiennent le même nombre de particules. La loi d'Avogadro a permis d'estimer avec précision les masses atomiques des éléments et de distinguer clairement les atomes des molécules.
Une autre contribution importante à la théorie atomique a été apportée en 1827 par le botaniste Robert Brown, qui a remarqué que les particules de poussière flottant dans l'eau semblaient se déplacer de manière aléatoire sans raison connue. En 1905, Albert Einstein a postulé que le mouvement brownien était dû au mouvement des molécules d'eau. Le modèle et sa validation en 1908 par Jean Perrin ont soutenu la théorie atomique et la théorie des particules.
Jusqu'à ce point, les atomes étaient considérés comme les plus petites unités de matière. En 1897, J.J. Thomson a découvert l'électron. Il croyait que les atomes pouvaient être divisés. Parce que l'électron portait une charge négative, il a proposé un modèle de plum pudding de l'atome, dans lequel les électrons étaient intégrés dans une masse de charge positive pour produire un atome électriquement neutre.
Ernest Rutherford, l'un des étudiants de Thomson, a réfuté le modèle de pudding aux prunes en 1909. Rutherford a découvert que la charge positive d'un atome et la majeure partie de sa masse étaient au centre, ou noyau, d'un atome. Il a décrit un modèle planétaire dans lequel les électrons tournaient autour d'un petit noyau chargé positivement.
Rutherford était sur la bonne voie, mais son modèle ne pouvait pas expliquer les spectres d'émission et d'absorption des atomes, ni pourquoi les électrons ne se sont pas écrasés dans le noyau. En 1913, Niels Bohr a proposé le modèle de Bohr, qui stipule que les électrons ne tournent autour du noyau qu'à des distances spécifiques du noyau. Selon son modèle, les électrons ne pouvaient pas pénétrer en spirale dans le noyau mais pouvaient faire des sauts quantiques entre les niveaux d'énergie.
Le modèle de Bohr a expliqué les raies spectrales d'hydrogène mais ne s'est pas étendu au comportement des atomes à électrons multiples. Plusieurs découvertes ont élargi la compréhension des atomes. En 1913, Frederick Soddy a décrit des isotopes, qui étaient des formes d'un atome d'un élément qui contenaient différents nombres de neutrons. Des neutrons ont été découverts en 1932.
Louis de Broglie a proposé un comportement ondulatoire des particules en mouvement, décrit par Erwin Schrödinger en utilisant l'équation de Schrödinger (1926). Cela, à son tour, a conduit au principe d'incertitude de Werner Heisenberg (1927), qui stipule qu'il n'est pas possible de connaître simultanément à la fois la position et l'élan d'un électron.
La mécanique quantique a conduit à une théorie atomique dans laquelle les atomes sont constitués de particules plus petites. L'électron peut potentiellement être trouvé n'importe où dans l'atome, mais se trouve avec la plus grande probabilité à un niveau orbital ou énergétique atomique. Plutôt que les orbites circulaires du modèle de Rutherford, la théorie atomique moderne décrit des orbitales qui peuvent être sphériques, en forme d'haltère, etc. Pour les atomes avec un nombre élevé d'électrons, des effets relativistes entrent en jeu, car les particules se déplacent à une fraction de la vitesse de la lumière.
Les scientifiques modernes ont découvert des particules plus petites qui constituent les protons, les neutrons et les électrons, bien que l'atome reste la plus petite unité de matière qui ne puisse pas être divisée par des moyens chimiques.