Évolution Structurelle de l'Atome

Cedocument est une fiche synthétique sur la constitution de la matière, abordant l'évolution structurelle de l'atome et les concepts fondamentaux de la physique desradiations. Il met en lumière l'interaction entre rayonnement et matière, essentielle pour comprendre les phénomènes physiques et l'imagerie médicale.

INTRODUCTION: Interaction Rayonnement / Matière

• Radiation ↔ Matière (atomes) : une relation fondamentale.

• La base structurelle réside dans la relation entre énergie (E) de liaison et matière.

• Une déperdition d'énergie (excès d'E) conduit à l'instabilité de l'atome.

• L'étudede l'interaction rayonnement/matière et de l'échange d'énergie est la base de tous les phénomènes physiques et de l'imagerie médicale.

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

1. Rappeler les postulatsde Bohr.

2. Définir les termes : isotope, isobare, isotone, isomère.

3. Déterminer la quantification des niveaux d'énergie d'un atome.

4. Relier énergie, longueur d'onde et fréquence.

5. Schématiser les zones de stabilité/instabilité atomique.

I- ÉVOLUTION STRUCTURELLE DE L'ATOME

I-1. Définition de la matière

• La matière est tout ce qui nous entoure : corps de la nature (solide, liquide, gaz).

• Chaque molécule est divisée en Atomes avec une identité chimique propre.

I-2. Évolution de l'atome avant 1913 : Conceptions historiques

• Antiquité Grecque (420 av. J.-C.) : Leucippe, Démocrite — Atome = « petit grain » solide et indivisible, plein, éternel, immuable (A-tomos = insécable). Matière discontinue, atome plein avec vide autour.

• Autre conception antique : Empédocle, Aristote (Grèce) / Inde — Matière composée de 4 racines : Feu, Terre, Eau, Air. Soutien religieux jusqu'au XVIIIe siècle.

• XVIIe-XVIIIe siècles : Galilée, Descartes — Recours à des entités extrêmement petites (molécules ou atomes) pour décrire la matière.

• 1897 : Conceptions de Thompson :

  • Rayons cathodiques composésd'électrons (particules massives et chargées négativement).

  • En 1904, modèle du « pudding de Thompson » : sphère électriquement positive fourrée d'électrons négatifs.

• 1918 : Conceptions de Rutherford :

  • Noyau composé de protons (beaucoup plus massifs que les électrons et chargés positivement).

  • Modèle lacunaire, planétaire, amélioré par Bohr.

Modèle Atomique depuis 1913 : BOHR et Planck

• Niels Bohr (1885-1962) et Max Planck (1858-1947).

• Échanges d'énergie discontinus, par quantités d'énergie bien définies : les quanta.

1913 : Modèle atomique de BOHR (Spectre de l'hydrogène)

• Assimilation à un système solaire.

• Orbites = niveaux d'énergie bien définis = quanta.

• 1 quantum = hν où h = constante de Planck = J.s et ν =fréquence du rayonnement en Hertz (Hz).

Postulat de BOHR N°1 : Orbites circulaires stables ou stationnaires

• L'électron ne rayonne aucune énergie (E).

• Chaqueorbite correspond à une énergie bien définie de l'électron (niveau ou état d'énergie).

Postulat de BOHR N°2 : Quantification du rayonnement

• Un changement d'état (atome instable) se traduit par une émission ou absorption de lumière = quantum d'énergie = photon.

• Émission : Si E_finale > E_initiale (orbite haute énergie à basse énergie) → photon émis par excès d'E.

• Absorption : Si E_finale < E_initiale (orbite basse énergie vers haute énergie) → photon absorbé.

• Différence d'énergie entre deuxniveaux : E_n - E_m = hν.

Postulat de BOHR N°3 : Quantification du moment cinétique

• Seules les régions de l'espace où la présence de l'électron est maximale peuvent être déterminées.

• Le moment cinétique (ou angulaire orbital) est quantifié : où (constante de Planck réduite), n = nombre quantique, r = distance électron/noyau, v = vitesse électron.

• Lemodèle de Bohr est insuffisant pour le spectre d'atomes à plusieurs électrons et la nature des liaisons chimiques → Mécanique Quantique (1925).

I-3. Modèleactuel de l’atome

I-3-1 Modèle de Schrödinger (1925) : Mécanique Quantique

• Les électrons ne sont plus des billes individuelles localisées sur des orbites, mais des nuages de probabilité deprésence.

• L'équation de Schrödinger étudie l'état des électrons et leur "niveau d'énergie".

• — Probabilités d'existence de la particule.

• Limites : Pas pour les systèmes à plusieurs particules ni les atomes lourds, linéaire sans expliquer les transitions de phase. Soulève unequestion philosophique : la matière est-elle une probabilité de présence ?

• L'équation de Schrödinger modélise l'atome d'hydrogène comme un système {proton + électron} dont l'énergie est quantifiée.

• Par convention, E = 0 eV pour l'état où proton et électron sont au repos, non liés (hydrogène ionisé). Les états d'E positive sont non liés, formant un continuum.

• Niveaux d'énergie de l'hydrogène :

  • eV (état ionisé)

  • eV ()

  • eV ()

  • eV (, état fondamental)

I-3-2 Représentation Atomique: Nombres Quantiques

• Nombre quantique principal (n) : définit les niveaux d'énergie.

• Nombre quantique orbital (l) : définitle carré de la longueur du moment orbital.

• Nombre magnétique (m) : définit la projection du moment orbital sur une direction arbitraire.

• La matière familière est composée d'atomes, eux-mêmes formés des trois briques fondamentales : protons, neutrons, électrons (nuage électronique de probabilité de présence).

Particules Matérielles Subatomiques

• Électron (négaton) :

  • Charge élémentaire - (négative).

  • Correspond au rayonnement cathodique des tubes à rayons X et au rayonnement β- des corps radioactifs.

• Positon (positron) :

  • Anti-particule de l'électron : même masse mais charge et moment magnétique opposés.

  • Produit lors de la radioactivité β+ ou de la formation de paires (e+, e-).

• Proton :

  • Noyau d'hydrogène, charge électrique +.

• Neutron:

  • Masse légèrement supérieure au proton, charge électrique nulle.

  • Instable hors du noyau.

• Neutrino (antineutrino) :

  • Masse non appréciable (très faible).

  • Charge nulle.

  • Particule théorique expliquant la radioactivité β.

De plus en plus petits : Particules élémentaires

• Quarks (u et d) :

  • Enfouis profondément dans les protons et neutrons du noyau.

  • Très fortement liés, non observablesindividuellement.

• Autres fermions : muons, gluons, leptons, tauons, hadrons (3 générations de la matière).