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Le physicien danois Niels Bohr passa du temps dans les laboratoires de Rutherford. Il était d'accord avec le modèle planétaire de l'atome énoncé par son collègue. Toutefois, il ne pouvait expliquer pourquoi les électrons en mouvement autour du noyau ne s'écrasaient pas sur le noyau, ce qui aurait provoqué une destruction de l'atome. Il ne comprenait pas pourquoi les atomes d'un même élément, si ses électrons gravitaient à des endroits différents, pouvaient tous réagir de la même façon chimiquement. (1885 - 1962)
De plus, selon les lois de la physique classique, une charge électrique (électron) en mouvement dans un champ électromagnétique devrait irradier de la lumière ou une autre forme d'énergie et ainsi perdre toute son énergie.
Pour solutionner cette problématique capitale, Bohr est parti du principe que l'électron ne dissipe pas son énergie. Il a pu ainsi constater plus tard que l'atome émet seulement un rayonnement électromagnétique lorsqu'un électron se déplace d'un niveau énergétique à un autre. Pour appuyer son postulat, il s'est servi de la théorie du quantum de Max Planck, énoncée en 1901. Dans sa théorie, Planck prétend qu'un corps chauffé émet de l'énergie par «paquets», soit des quanta d'énergie.
En analysant les atomes d'hydrogène (l'hydrogène ne possède qu'un électron) excités dans un tube cathodique, il remarque que ceux-ci émettent une lumière caractéristique qu'un prisme décompose en bandes de lumière appelées spectre de raies. Comme chacune de ces raies possèdent une énergie spécifique, Bohr décide d'associer chacune d'elles à une couche sur laquelle peuvent se retrouver les électrons.
Spectre de raies de l'hydrogène
Atome d'hydrogène excité
Lorsque l'atome est excité par un «paquet» d'énergie extérieure, l'électron passe alors à un niveau d'énergie supérieure et ce, d'un seul bond, car l'électron ne peut se trouver entre deux niveaux. Lorsque les électrons reviennent à leur état fondamental ou stationnaire (le plus près du noyau), ils perdent le même «paquet» d'énergie qu'ils ont reçu sous forme de lumière.
En 1914, à partir de sa théorie du spectre d'émission de l'hydrogène, Bohr propose son modèle atomique en modifiant celui de Rutherford. Il situe les électrons sur des orbites particulières nommées couches électroniques ou niveaux énergétiques. L'énergie d'un électron sur sa couche électronique fondamentale est constante. Par conséquent, il n'y a aucune énergie émise lorsque l'électron est sur cette couche stationnaire, donc il n'y a pas de perte d'énergie.
Le nombre maximum d'électrons sur une couche électronique est donné par la formule 2 n2 où n égale le nombre de couches. Ainsi, la première couche ne peut recevoir que deux électrons, alors que les autres couches en recevront huit ou davantage. Actuellement, sept niveaux d'énergie suffisent pour représenter les éléments du tableau périodique.
La dernière couche électronique d'un atome de possède jamais plus de 8 électrons. Les atomes sont plus stables lorsque leur couche extérieure est remplie; ils tendent vers cette stabilité en participant à des réactions chimiques au cours desquelles ils gagnent, perdent ou partagent des électrons.
Le modèle de Bohr explique maintenant le comportement et la distribution des électrons autour du noyau de l'atome. Le mystère s'éclaircit. Toutefois, il reste encore celui des protons. Comment surmontent-ils la force de répulsion électrique qui devrait normalement les éloigner les uns des autres et provoquer l'éclatement du noyau? James Chadwick répondra à cet énigme en découvrant une nouvelle particule dans le noyau de l'atome.
Pour en savoir davantage sur ce scientifique, vous pouvez consulter la recherche de David Chouinard et Jean-François Pinette: Niels Bohr - La structure de l'atome du site «Chimisterie».
Bibliographie
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Page mise à jour : le 27 février 2001
