Contenu
- La théorie des particules de Démocrite
- L'expérience de Démocrite pour prouver l'existence d'atomes
- John Dalton et la théorie atomique moderne
- La théorie des particules rencontre le quantum
- L'atome moderne
La théorie des particules de la matière n'a pas été tant découverte que formulée et cette formulation a commencé dans la Grèce antique.
Le philosophe Démocrite, qui a vécu de 460 à 370 ans avant notre ère, est à l'origine de l'idée que le monde est composé de minuscules particules indivisibles. Il a conçu une expérience pour prouver son idée et, si l'expérience de Démocrite peut sembler trop simpliste aujourd'hui, elle a contribué à donner naissance au concept d'atome, qui est au cœur de la compréhension moderne de la matière.
Au cours des siècles qui ont suivi l'expérience, la théorie des particules de Democritus n'a pas beaucoup progressé, mais elle a été reprise au tournant du XIXe siècle par le chimiste et physicien anglais John Dalton (1766-1844).
Le travail de Daltons est resté pratiquement inchangé pendant la plus grande partie du siècle jusqu'à ce qu'une équipe de physiciens modernes comprenant des noms tels que Thompson, Rutherford, Bohr, Planck et Einstein se soit impliquée. C’est quand les étincelles ont commencé à voler et que le monde est entré dans l’ère nucléaire.
La théorie des particules de Démocrite
On dirait que le mot "démocratie" a peut-être été dérivé de son nom, mais Démocrite n’était pas un philosophe politique. Le mot vient en réalité des mots grecs démos, ce qui signifie "le peuple" et kratein, ce qui signifie "gouverner".
Connu sous le nom de "philosophe qui rit" en raison de la grande importance qu’il accordait à la gaieté, Démocrite a prononcé un autre mot important: atome. Il a évoqué les petites particules qui composent tout dans l'univers comme atomos, ce qui signifie non coupable ou indivisible.
Ce n'était pas sa seule contribution novatrice à la science. Démocrite fut également le premier à affirmer que la lumière que nous voyons de la Voie Lactée est la lumière combinée d'une multitude d'étoiles individuelles. Il a également proposé l'existence d'autres planètes et a même postulé l'existence de plusieurs univers, une idée à la pointe de la science aujourd'hui.
Selon Aristote (384 - 322 AEC), Démocrite croyait que l'âme humaine était composée d'atomes de feu et du corps d'atomes de terre. Cela était contraire à la croyance Aristote selon laquelle le monde était constitué des quatre éléments air, feu, terre et eau, et que le rapport des éléments déterminait les caractéristiques de la matière.
Aristote croyait même que les éléments pourraient être transformés les uns en les autres, une idée qui a alimenté la recherche de la pierre philosophale à travers le Moyen Âge.
L'expérience de Démocrite pour prouver l'existence d'atomes
Ni Aristote ni Platon, également influent (environ 429 - 347 avant notre ère), n’ont souscrit à la théorie des particules de Démocrite, et il faudrait 2 000 ans pour que le «philosophe qui rit» soit pris au sérieux. Cela pourrait avoir quelque chose à voir avec l'expérience que Démocrite a conçue pour prouver sa théorie, qui n'était pas convaincante.
Démocrite a estimé que si vous prenez une pierre ou un autre objet et continuez à la diviser en deux, vous finissez par arriver à une pièce si petite qu'elle ne peut plus être divisée. On dit qu'il a fait cette expérience avec un coquillage, et quand il a réduit la coquille en une poudre fine qu'il ne pouvait plus couper en morceaux plus petits, il a considéré cette preuve de son théorème.
Démocrite était un matérialiste, contrairement à Platon et Aristote, qui croyaient que les buts des événements étaient plus importants que leurs causes. Il était un pionnier des mathématiques et de la géométrie, et il faisait partie des rares personnes à cette époque à croire que la Terre était sphérique. Même s'il ne pouvait pas le prouver de manière convaincante, sa conception des atomes existant principalement dans un espace vide, chacun possédant un petit crochet de style velcro lui permettant de se connecter à d'autres atomes, n'est pas si éloignée du modèle scientifique moderne de l'atome.
John Dalton et la théorie atomique moderne
La théorie de Démocrite était-elle correcte? La réponse est certes oui, mais cela n’a même pas été considéré comme une possibilité jusqu’en 1800. C’est alors que John Dalton l’a révisée alors qu’il travaillait sur la loi de la composition constante proposée par le chimiste français Joseph Proust. Le droit de vote découle directement de la loi de conservation de la masse, découverte par un autre chimiste français, Antoine Lavoisier.
La loi de la composition constante déclare qu'un échantillon d'un composé pur, quelle que soit la manière dont il est obtenu, contient toujours les mêmes éléments dans les mêmes proportions en masse. Dalton s'est rendu compte que cela ne pouvait être vrai que si la matière était constituée de particules indivisibles, qu'il appelait des atomes (avec un signe de tête vers Démocrite). Dalton a fait quatre déclarations sur la matière qui constituent ensemble sa théorie atomique:
La théorie atomique des Daltons est restée pratiquement inchangée pendant la majeure partie du XIXe siècle.
La théorie des particules rencontre le quantum
Tout au long du XIXe siècle, un débat faisait rage sur la nature de la lumière, qu’elle se propage sous forme d’onde ou de particule. De nombreuses expériences ont confirmé l'hypothèse de l'onde, et beaucoup d'autres ont confirmé l'hypothèse corpusculaire. En 1887, le physicien allemand Heinrich Hertz découvrit l’effet photoélectrique lorsqu’il faisait des expériences avec un générateur d’éclateur. Cette découverte s'est avérée être beaucoup plus importante que Hertz n'a réalisé.
À cette époque, le physicien anglais J.J. Thompson a découvert la première particule subatomique, l'électron, en examinant le comportement des rayons cathodiques. Sa découverte a permis d’expliquer ce qui constituait la décharge électrique d’une plaque conductrice lorsque vous l’éclairiez - ce qui est le effet photoélectrique - mais pas ce qui cause la décharge ni pourquoi la force de l'impulsion électrique est liée à la fréquence de la lumière. La solution devait attendre jusqu'en 1914.
Nul autre qu'Albert Einstein n'a expliqué l'effet photoélectrique en termes de petits paquets d'énergie appelés quanta. Celles-ci avaient été proposées par le physicien allemand Max Planck en 1900. L'explication d'Einsteins a prouvé la théorie quantique et lui a valu le prix Nobel.
Quanta, selon la conception de Planck, était à la fois une particule et une onde. Selon Planck, la lumière était composée de quanta appelés photons, chacun d'eux ayant une énergie particulière définie par sa fréquence. En 1913, le physicien danois Neils Bohr a utilisé la théorie de Plancks pour décrire le modèle planétaire de l'atome, proposé par le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford en 1911, un projet quantique.
L'atome moderne
Dans le modèle de Bohrs de l'atome, les électrons peuvent changer d'orbites en émettant ou en absorbant un photon, mais comme les photons sont des ensembles discrets, les électrons ne peuvent changer d'orbites qu'en quantités discrètes. Deux expérimentateurs, James Franck et Gustav Hertz, ont mis au point une expérience confirmant l’hypothèse de Bohr en bombardant des atomes de mercure avec des électrons, et ils l’ont fait sans même connaître le travail de Bohrs.
Avec deux modifications, le modèle de Bohrs a survécu jusqu'à présent, bien que la plupart des physiciens modernes le considèrent comme une approximation. La première modification fut la découverte du proton par Rutherford en 1920 et la seconde fut la découverte du neutron par le physicien britannique James Chadwick en 1932.
L'atome moderne est une confirmation de la théorie des particules de Democrite, mais c'est aussi une sorte de répudiation. Les atomes ne sont pas indivisibles, et cela vaut également pour les particules élémentaires qui les composent. Vous pouvez subdiviser les électrons, les protons et les neutrons en particules plus petites appelées quarks. Vous pouvez même subdiviser un quark. Le voyage dans le terrier du lapin est loin d'être terminé.