L’un des premiers attributs des atomes à être décrits était le poids atomique relatif. Bien qu’un seul atome soit trop petit pour peser, les atomes pouvaient être comparés les uns aux autres. Le chimiste Jons Berzelius a supposé que des volumes égaux de gaz à la même température et à la même pression contenaient un nombre égal d’atomes. Il a utilisé cette idée pourl’évolution de la théorie atomique. Illustration par Hans &Cassidy. Avec l’aimable autorisation de Gale Group.comparez les poids des gaz réactifs. Il a pu déterminer que, par exemple, les atomes d’oxygène étaient 16 fois plus lourds que les atomes d’hydrogène. Il a fait une liste de ces poids atomiques relatifs pour autant d’éléments qu’il le savait. Il a conçu des symboles pour les éléments en utilisant la première lettre ou les deux premières lettres de leurs noms latins, un système encore en usage aujourd’hui. Le symbole pour l’hydrogène est H, pour l’oxygène est O, pour le sodium (natrium, en latin) est Na, et ainsi de suite. Les symboles se sont également révélés utiles pour décrire le nombre d’atomes qui se combinent pour former une molécule d’un composé particulier. Par exemple, pour montrer que l’eau est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène, le symbole de l’eau est H2O. Un atome d’oxygène peut même se combiner avec un autre atome d’oxygène pour produire une molécule d’oxygène avec le symbole O2.

Au fur et à mesure que de plus en plus d’éléments continuaient à être découverts, il devenait pratique de commencer à les répertorier sous forme de symboles dans un graphique. En 1869, Dmitri Mendeleev a énuméré les éléments par ordre de poids atomique croissant et a regroupé les éléments qui semblaient avoir des réactions chimiques similaires. Par exemple, le lithium (Li), le sodium (Na) et le potassium (K) sont tous des éléments métalliques qui éclatent en flamme s’ils sont mouillés. Des éléments similaires ont été placés dans la même colonne de son tableau. Mendeleïev a commencé à voir un modèle parmi les éléments, où chaque huitième élément de la liste des poids atomiques appartiendrait à la même colonne. En raison de cette périodicité ou de ce motif répétitif, le graphique de Mendeleïev est appelé le « Tableau périodique des éléments. »La table était si régulière, en fait, que lorsqu’il y avait un « trou » dans la table, Mendeleev a prédit qu’un élément finirait par être découvert pour remplir la place. Par exemple, il y avait un espace pour un élément avec un poids atomique d’environ 72 (72 fois plus lourd que l’hydrogène) mais aucun élément connu. En 1886, 15 ans après sa prédiction, l’élément Germanium (Ge) a été isolé et s’est avéré avoir un poids atomique de 72,3. De nombreux autres éléments ont continué à être prédits et trouvés de cette manière. Cependant, comme plus d’éléments ont été ajoutés au tableau périodique, il a été constaté que si certains éléments étaient placés dans la colonne correcte en raison de réactions similaires, ils ne suivaient pas le bon ordre de poids atomique croissant. Une autre caractéristique atomique était nécessaire pour ordonner correctement les éléments. De nombreuses années se sont écoulées avant que la bonne propriété ne soit trouvée.

Alors que les expériences de chimie recherchaient et caractérisaient davantage d’éléments, d’autres branches de la science faisaient des découvertes sur l’électricité et la lumière qui devaient contribuer au développement de la théorie atomique. Michael Faraday avait fait beaucoup de travail pour caractériser l’électricité; James Clerk Maxwell caractérisait la lumière. Dans les années 1870, William Crookes construit un appareil, maintenant appelé tube de Crookes, pour examiner les « rayons » dégagés par les métaux. Il voulait déterminer si les rayons étaient de la lumière ou de l’électricité en se basant sur les descriptions de Faraday et de Maxwell des deux. Le tube de Crookes consistait en une ampoule de verre, dont la majeure partie de l’air avait été retirée, enveloppant deux plaques métalliques appelées électrodes. Une électrode s’appelait l’anode et l’autre la cathode. Les plaques avaient chacune un fil menant à l’extérieur de l’ampoule à une source d’électricité. Lorsque l’électricité était appliquée aux électrodes, les rayons semblaient provenir de la cathode. Crookes a déterminé que ces rayons cathodiques étaient des particules avec une charge électrique négative qui étaient émises par le métal de la plaque cathodique. En 1897, J. J. Thomson a découvert que ces particules chargées négativement sortaient des atomes et devaient d’abord être présentes dans les atomes métalliques. Il a appelé ces particules subatomiques chargées négativement « électrons. »Comme les électrons étaient chargés négativement, le reste de l’atome devait être chargé positivement. Thomson croyait que les électrons étaient dispersés dans l’atome comme des raisins secs dans une pâte à pain chargée positivement, ou comme des prunes dans un pudding. Bien que le modèle de « pouding aux prunes » de Thomson n’était pas correct, c’était la première tentative de montrer que les atomes étaient plus complexes que de simples sphères homogènes.

Au même moment, les scientifiques examinaient d’autres types de rayons mystérieux provenant du tube de Crookes qui ne provenaient pas de sa cathode. En 1895, Wilhelm Roentgen a remarqué que les plaques photographiques tenues près d’un tube de Crookes seraient embuées par des rayons invisibles et inconnus. Roentgen a appelé ces rayons « rayons x », en utilisant « x » pour inconnu comme en mathématiques. Roentgen a également établi l’utilisation de plaques photographiques comme moyen de prendre des photos de rayons mystérieux. Il a constaté qu’en bloquant les rayons x avec sa main, par exemple, les os bloquaient les rayons X, mais pas la peau et les tissus. Les médecins utilisent toujours les rayons X de Roentgen pour l’imagerie du corps humain.

Les plaques photographiques sont devenues un équipement standard pour les scientifiques de l’époque de Roentgen. L’un de ces scientifiques, Henri Becquerel, a laissé quelques plaques photographiques dans un tiroir avec de l’uranium, un nouvel élément qu’il étudiait. Quand il a retiré les plaques, il a constaté qu’elles s’étaient embuées. Comme il n’y avait rien d’autre dans le tiroir, il a conclu que l’uranium devait dégager un type de rayon. Becquerel a montré que ce rayonnement n’était pas aussi pénétrant que les rayons X car il pouvait être bloqué par le papier. L’élément lui-même produisait activement un rayonnement, une propriété appelée radioactivité. En grande partie grâce aux travaux de Pierre et Marie Curie, des éléments plus radioactifs ont été trouvés. Les tentatives de caractérisation des différents types de radioactivité ont conduit au prochain grand chapitre du développement de la théorie atomique.

En 1896, Ernest Rutherford, un étudiant de J. J. Thomson, a commencé à étudier la radioactivité. En testant divers éléments et en déterminant quels types de matériaux pourraient empêcher le rayonnement d’atteindre une plaque photographique, Rutherford a conclu qu’il y avait deux types de radioactivité provenant des éléments. Il les a nommés en utilisant les deux premières lettres de l’alphabet grec, alpha et bêta. Le rayonnement alpha était constitué de particules chargées positivement environ quatre fois plus lourdes qu’un atome d’hydrogène. Le rayonnement bêta était composé de particules chargées négativement qui semblaient être comme des électrons. Rutherford a décidé de tenter une expérience en utilisant les particules alpha. Il a mis en place un morceau de feuille d’or mince avec des plaques photographiques l’entourant. Il a ensuite permis aux particules alpha de frapper l’or. La plupart des particules alpha ont traversé la feuille d’or. Mais quelques-uns d’entre eux ne l’ont pas fait. Quelques particules alpha ont été déviées de leur trajectoire droite. Quelques-uns sont même venus tout droit en arrière. Rutherford a écrit que c’était aussi surprenant que si l’on avait tiré une balle sur un morceau de papier de soie pour le faire rebondir. Rutherford a conclu que, puisque la plupart des particules alpha traversaient, les atomes de l’or devaient être principalement de l’espace vide, et non du pouding aux prunes rempli d’espace de Thomson. Comme quelques-unes des particules alpha ont été déviées, il doit y avoir une région positive densément emballée dans chaque atome qu’il a appelé le noyau. Avec toute la charge positive dans le noyau, la question suivante était la disposition des électrons dans l’atome.

En 1900, le physicien Max Planck étudiait les processus de la lumière et de la chaleur, en essayant spécifiquement de comprendre le rayonnement lumineux émis par un « corps noir », une cavité idéale constituée de parois parfaitement réfléchissantes. Cette cavité a été imaginée comme contenant des objets appelés oscillateurs qui absorbaient et émettaient de la lumière et de la chaleur. Avec suffisamment de temps, le rayonnement d’un tel corps noir produirait une distribution de lumière colorée appelée spectre qui ne dépendait que de la température du corps noir et non de ce dont il était fait. De nombreux scientifiques ont tenté de trouver une relation mathématique qui permettrait de prédire comment les oscillateurs d’un corps noir pourraient produire une distribution spectrale particulière. Max Planck a trouvé cette relation mathématique correcte. Il a supposé que l’énergie absorbée ou émise par les oscillateurs était toujours un multiple d’un « paquet d’énergie » fondamental qu’il appelait un quantique. Les objets qui émettent ou absorbent de l’énergie le font en quantités discrètes, appelées quanta.

À cette même époque, il y avait un physicien travaillant avec Thomson et Rutherford nommé Niels Bohr. Bohr a réalisé que l’idée d’un quantum d’énergie pourrait expliquer comment les électrons de l’atome sont disposés. Il a décrit les électrons comme étant « en orbite » autour du noyau comme des planètes autour du soleil. Comme les oscillateurs dans un corps noir ne pouvaient pas avoir n’importe quelle énergie, les électrons dans l’atome ne pouvaient pas avoir n’importe quelle orbite. Il n’y avait que les isotopes de l’hydrogène: hydrogène, deutérium et tritium. Illustration par Hans &Cassidy. Avec l’aimable autorisation de Gale Group.certaines distances qui étaient permises par l’énergie qu’avait un électron. Si un électron d’un atome particulier absorbait le quantum d’énergie précisément correct, il pourrait s’éloigner du noyau. Si un électron plus éloigné du noyau émettait le quantum d’énergie exact, il pourrait se rapprocher du noyau. Quelles étaient les valeurs précisément correctes pour chaque élément. Ces valeurs pourraient être déterminées par un processus appelé spectroscopie atomique, une technique expérimentale qui a examiné le spectre lumineux produit par les atomes. Un atome a été chauffé de sorte que tous ses électrons ont été éloignés du noyau. En se rapprochant du noyau, les électrons commenceraient à émettre leurs quanta d’énergie sous forme de lumière. Le spectre de la lumière produite pourrait être examiné à l’aide d’un prisme. Le spectre ainsi produit ne montrait pas toutes les couleurs possibles, mais seulement celles qui correspondaient aux énergies correspondant aux différences d’orbite des électrons. Bien que plus tard affiné, le « modèle planétaire » de l’atome de Bohr a suffisamment bien expliqué les données de spectroscopie atomique pour que les scientifiques se tournent vers le noyau de l’atome.

Rutherford, avec Frederick Soddy, a continué à travailler avec des éléments radioactifs. Soddy, en particulier, a remarqué que lorsque des particules alpha et bêta étaient émises par des atomes, les atomes changeaient de l’une des deux manières suivantes: (1) l’élément est devenu un élément totalement différent avec des réactions chimiques complètement nouvelles, ou (2) l’élément a conservé les mêmes réactions chimiques et le même spectre atomique, mais n’a changé que de poids atomique.

Il a appelé atomes des isotopes du deuxième groupe, atomes du même élément avec des poids atomiques différents. Dans tout échantillon naturel d’un élément, il peut y avoir plusieurs types d’isotopes. En conséquence, le poids atomique d’un élément calculé par Berzelius était en fait une moyenne de tous les poids isotopiques de cet élément. C’était la raison pour laquelle certains éléments ne tombaient pas dans le bon ordre sur le tableau périodique de Mendeleïev — le poids atomique moyen dépendait de la quantité de chaque type d’isotope présent. Soddy a suggéré de placer les éléments dans le tableau périodique par similitude de réactions chimiques, puis de les numéroter dans l’ordre. Le numéro attribué à chaque élément de cette manière est appelé numéro atomique. Les numéros atomiques étaient des moyens pratiques de se référer à des éléments.

Pendant ce temps, Thomson avait poursuivi son travail avec le tube de Crookes. Il a découvert que non seulement des rayons cathodiques d’électrons étaient produits, mais aussi des particules positives. Après un travail minutieux, il a pu séparer les nombreux types de particules positives en poids. Sur la base de ces mesures, il a pu déterminer une particule fondamentale, la plus petite particule positive produite, appelée proton. Comme ceux-ci étaient produits par les atomes de la cathode et comme Rutherford a montré que le noyau de l’atome était positif, Thomson s’est rendu compte que le noyau d’un atome devait contenir des protons. Un jeune scientifique nommé Henry Moseley a expérimenté le bombardement d’atomes de différents éléments avec des rayons X. Tout comme en spectroscopie atomique, où la chaleur donne plus d’énergie aux électrons, les rayons x donnent plus d’énergie aux protons du noyau. Et tout comme les électrons émettent de la lumière d’énergies spécifiques lorsqu’ils se refroidissent, le noyau émet des rayons X d’une énergie spécifique lorsqu’il « se désexcite ». »Moseley a découvert que l’énergie des rayons X émis pour chaque élément suivait une relation mathématique simple. L’énergie dépendait du numéro atomique de cet élément et le numéro atomique correspondait au nombre de charges positives dans le noyau. Ainsi, l’ordre correct du tableau périodique consiste à augmenter le nombre de protons dans le noyau atomique. Le nombre de protons est égal au nombre d’électrons dans un atome neutre. Les électrons sont responsables des réactions chimiques. Les éléments de la même colonne du tableau périodique ont des arrangements similaires d’électrons avec les énergies les plus élevées, et c’est pourquoi leurs réactions sont similaires.

Il ne restait qu’un seul problème. Les électrons avaient très peu de poids, 1/1 836 le poids d’un proton. Pourtant, les protons ne représentaient pas la totalité du poids atomique d’un atome. Ce n’est qu’en 1932 que James Chadwick découvre l’existence d’une particule dans le noyau sans charge électrique mais avec un poids légèrement supérieur à un proton. Il a nommé cette particule le neutron. Les neutrons sont responsables de l’existence d’isotopes. Deux atomes d’un même élément auront le même nombre de protons et d’électrons, mais ils pourraient avoir un nombre différent de neutrons et donc des poids atomiques différents. Les isotopes sont nommés en indiquant le nom de l’élément, puis le nombre de protons et de neutrons dans le noyau. La somme des protons et des neutrons est appelée le nombre de masse. Par exemple, l’uranium 235 contient 235 protons et neutrons. Nous pouvons regarder sur un tableau périodique pour trouver le numéro atomique de l’uranium (92) qui nous indique le nombre de protons. Ensuite, en soustrayant, nous savons que cet isotope a 143 neutrons. Il existe un autre isotope de l’uranium, le 238U, avec 92 protons et 146 neutrons. Certaines combinaisons de protons et de neutrons sont moins stables que d’autres. Image essayant de tenir 10 boules de bowling dans vos bras. Il y aura un arrangement où vous pourrez peut-être le gérer. Maintenant, essayez d’en tenir 11 ou seulement neuf. Il pourrait ne pas y avoir d’arrangement stable et vous laisseriez tomber les boules de bowling. La même chose se produit avec les protons et les neutrons. Les arrangements instables se désagrègent spontanément, émettant des particules, jusqu’à ce qu’une structure stable soit atteinte. C’est ainsi que la radioactivité comme les particules alpha est produite. Les particules alpha sont constituées de deux protons et de deux neutrons sortant d’un noyau instable.

L’hydrogène possède trois types d’isotopes: hydrogène, 2H (deutérium) et 3H (tritium).

Les poids atomiques des autres éléments ont été initialement comparés à l’hydrogène sans préciser quel isotope. Il est également difficile d’obtenir des atomes uniques d’hydrogène car il réagit généralement avec d’autres atomes pour former des molécules comme H2 ou H2O. L’isotope d’un élément différent a donc été choisi pour la comparaison. Les poids atomiques sont maintenant basés sur 12 C (carbone-12). Cet isotope a six protons et six neutrons dans son noyau. Le carbone 12 a été défini comme étant 12 unités de masse atomique. (Les unités de masse atomique, en abrégé amu, sont des unités utilisées pour comparer les poids relatifs des atomes. Une uam représente moins de 200 sextillionthes de gramme.) Tous les autres isotopes de tous les autres éléments sont comparés à cela. Ensuite, les poids des isotopes d’un élément donné sont moyennés pour donner les poids atomiques trouvés sur le tableau périodique.

Jusqu’à ce stade de l’histoire de l’atome, toutes les particules composant l’atome étaient considérées comme des sphères dures et uniformes. À partir de 1920 avec l’œuvre de Louis de Broglie, cette image a changé. De Broglie a montré que des particules comme les électrons pouvaient parfois avoir des propriétés d’ondes. Par exemple, si les vagues d’eau sont produites par deux sources, comme la chute de deux cailloux dans un étang, les vagues peuvent interférer les unes avec les autres. Cela signifie que les points élevés s’ajoutent pour créer des points encore plus élevés. Les points bas s’ajoutent pour faire des régions encore plus basses. Lorsque les électrons ont été amenés à traverser une double fente, certains électrons passant par une fente et d’autres par l’autre, ils ont effectivement créé deux sources. Les électrons ont montré ce même type d’interférence, produisant un motif sur une plaque de collecte. La capacité des électrons et d’autres particules à montrer parfois les propriétés des particules et parfois des ondes est appelée dualité onde-particule. Cette complication de la nature de l’électron signifiait que l’idée de Bohr d’un atome planétaire n’était pas tout à fait juste. Les électrons ont des énergies discrètes différentes, mais ils ne suivent pas d’orbites circulaires. En 1925, Werner Heisenberg a déclaré que la vitesse et l’emplacement précis d’un électron ne peuvent pas être connus en même temps. Ce « principe d’incertitude de Heisenberg » a inspiré Erwin Schrödinger à concevoir une équation pour calculer comment un électron avec une certaine énergie se déplace. L’équation de Schrödinger décrit les régions d’un atome où un électron avec une certaine énergie est susceptible de se trouver, mais pas exactement où il se trouve. Cette région de probabilité est appelée une orbitale. Les électrons se déplacent si vite dans ces orbitales que nous pouvons les considérer comme se brouillant dans un nuage d’électrons. Les électrons se déplacent d’une orbitale à l’autre en absorbant ou en émettant un quantum d’énergie, comme l’a expliqué Bohr.