L'atome aujourd'hui
L’atome aujourd’hui
La principale différence entre l’atome de Bohr et l’atome quantique, tel qu’il émerge de la nouvelle mécanique, et dont l’essentiel vaut encore aujourd’hui, c’est l’abandon de la notion de trajectoire. La mécanique classique, celle de Newton, appliquée au système solaire, permet de connaître à tout instant la position et la vitesse d’une planète, et donc de calculer sa trajectoire. Dans le modèle de Rutherford, cette mécanique, appliquée à l’atome, aurait permis d’accéder aux mêmes informations.
Mais, comme nous l’avons vu, la mécanique classique ne s’applique pas à l’atome, et l’on doit renoncer à cette connaissance « absolue ». En effet, le calcul des fonctions d’onde, par la mécanique quantique, ne fournit plus que la probabilité de trouver l’électron en un point donné de l’espace. Pire, les travaux d’Heisenberg ont mis en relief un « principe d’incertitude » dont les effets sont dévastateurs ! Selon ce principe, en effet, il est impossible de déterminer simultanément, avec une précision infinie, la position et la vitesse d’un objet relevant de la mécanique quantique. Plus la position sera connue avec précision, et plus l’incertitude sur la vitesse sera grande.
Il n’est plus possible, dans ces conditions, de définir la trajectoire, l’orbite des électrons de l’atome. On peut alors représenter un atome d’hydrogène, par exemple, par un nuage de points dont la densité s’accroît en même temps que la probabilité de présence de l’électron dans un petit volume donné ΔV. Cette probabilité est maximale au centre de l’atome, et l’image correspondante est donnée dans la figure 19a. On adopte généralement une représentation plus simple, appelée « orbitale », en délimitant la région de l’espace dans laquelle l’électron a une probabilité donnée (95 %, par exemple) de se trouver. Pour le niveau de plus basse énergie (le niveau fondamental) de l’atome d’hydrogène, il s’agit d’une orbitales qui a une forme sphérique.
Cependant, si l’on recherche la probabilité de trouver l’électron à une certaine distance r du centre de l’atome, dans n’importe quelle direction, on trouve la courbe de la figure 19c, qui donne cette probabilité pr en fonction de r. On voit qu’elle passe par un maximum pour r = a0 = 0,52 Angstrôm, qui est précisément la valeur du rayon de l’atome d’hydrogène selon le modèle de Bohr. On peut symboliser ce fait par le schéma 19d où la probabilité de présence de l’électron est représentée par un nuage à symétrie circulaire dont la densité varie proportionnellement à la valeur p/r). Mais cette représentation est très artificielle et il faut se souvenir que l’électron ne possède plus une trajectoire plane. Ce corpuscule-onde évolue dans tout l’espace sans que l’on puisse même préciser s’il est passé par un point avant d’en atteindre un autre.
Le modèle de l’atome est devenu probabiliste et c’est une des façons dont on se représente l’atome aujourd’hui .
En conclusion de ce chapitre, on peut se poser le problème suivant : dans la mesure où les insuffisances du modèle de Bohr ont été démontrées par le développement de la mécanique quantique, faut-il en conserver la mémoire à d’autres fins que purement historiques ? Cette question concerne en particulier les enseignants. Toute image de l’atome planétaire est-elle à proscrire afin de ne pas communiquer de représentation fausse aux élèves et aux étudiants ? Bien entendu, la réponse à cette dernière question est négative. Le modèle de Bohr est incontournable du point de vue
pédagogique, et qui plus est, on ne peut pas dire que l’image d’un atome planétaire soit moins valable que celle de l’atome probabiliste. Toutes deux sont une tentative pour rendre plus concrète la notion d’atome en la rattachant à des images familières, comme la trajectoire d’une planète (encore que celle-ci ne relève pas de l’expérience quotidienne) ou un nuage, mais aucune n’est ni une photographie, ni même un véritable schéma de l’objet. Certaines propriétés de l’atome, comme la possibilité d’un saut électronique d’un état à un autre, peuvent peut-être se représenter plus aisément selon l’image classique.Dans tous les cas, l’important est d’avoir toujours présent à l’esprit le fait que le modèle n’est pas l’objet, mais sert seulement de support pour la pensée. De même qu’en géométrie on peut « raisonner juste sur une figure fausse », une représentation erronée ou approximative permet de soutenir un raisonnement, à condition que celui-ci soit bâti sur une logique argu- mentée, et non sur l’apparence de cette représentation.
Vidéo : L’atome aujourd’hui
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