Article sur la théorie atomique et la théorie cinétique
Théorie atomique
Pendant des millénaires, les Grecs anciens ont cru que toute substance pure (comme l'or, le fer, etc.) était constituée d'atomes. Selon eux, si l'on découpait une substance pure en petits morceaux, puis que l'on recoupait ces morceaux en fragments encore plus petits, et ainsi de suite, jusqu'à obtenir des particules indivisibles. Ces particules indivisibles étaient appelées atomes. Le mot « atome » signifie « indivisible » (en grec).
À cette époque, on considérait que l'atome était indivisible. Mais plus tard, des scientifiques ont découvert les électrons et les noyaux atomiques (protons et neutrons), invalidant ainsi l'hypothèse selon laquelle les atomes étaient indivisibles. Les atomes sont donc constitués d'électrons (chargés négativement) et d'un noyau atomique. Les électrons gravitent autour du noyau. À l'intérieur du noyau se trouvent des protons (chargés positivement) et des neutrons (neutres).
Il existe une autre théorie : la théorie de la continuité. Selon cette théorie, les substances pures peuvent être divisées à l'infini. Il n'existe donc pas de plus petite particule, car les plus petites peuvent être divisées en parts encore plus petites, ce qui conduit à une infinité de parties. Laquelle de ces deux théories est correcte ? La théorie atomique ou la théorie de la continuité ?
En physique, toute théorie est reconnue scientifiquement si elle peut être prouvée par l'expérience. Aux XVIIIe, XIXe et XXe siècles, grâce aux expériences menées par les scientifiques, la théorie atomique a été validée.
Tout d'abord, il est important de comprendre les définitions suivantes. Les éléments sont des substances pures qui ne peuvent être décomposées chimiquement en d'autres substances, par exemple l'or (Au), le fer (Fe), le cuivre (Cu), le zinc (Zn), le sodium (Na), le calcium (Ca), le chlore (Cl), l'azote (N), l'oxygène (O), l'hydrogène (H), etc. Outre les éléments, il existe également des composés. Les composés sont constitués d'éléments. Puisqu'ils sont constitués d'éléments, les composés peuvent eux-mêmes être décomposés en éléments. L'eau est un exemple de composé.
L'atome est la plus petite unité d'un élément, tandis que la molécule est la plus petite unité d'un composé. Les molécules sont constituées d'atomes liés entre eux. L'or pur est un exemple d'élément. Il est composé d'atomes d'or (Au). Le fer est également un exemple d'élément. Il est composé d'atomes de fer (Fe). Ainsi, un élément est une substance pure constituée d'atomes identiques.
L'eau que vous voyez, tenez et buvez régulièrement est composée de molécules d'eau (sa formule chimique est H₂O ) . Les molécules d'eau sont constituées de deux atomes d'hydrogène (H) et d'un atome d'oxygène (O).
Voici quelques preuves de la théorie atomique :
Premièrement, la loi de la comparaison constante.
La loi de comparaison stipule que si des éléments se combinent pour former des composés, ces composés ont le même rapport massique. Prenons l'exemple du sel. Le sel que nous utilisons est un composé constitué de molécules de sel (NaCl). Naturellement, les molécules de sel sont toujours formées de 23 parties de sodium (Na) et de 35 parties de chlore (Cl).
La théorie continue ne peut l'expliquer, mais la théorie atomique le peut. Selon cette dernière, les atomes sont les plus petites particules d'un élément et possèdent donc une masse. Le rapport des masses des éléments d'un composé est lié à la masse relative des atomes qui le constituent. En fonction du nombre d'atomes de chaque élément entrant dans la composition, les scientifiques déterminent la masse relative de ces atomes. Cette masse est dite relative car elle est comparée à celle des autres atomes de cet élément.
L'hydrogène étant l'atome le plus léger, il sert de référence. La masse relative d'un atome d'hydrogène (H) est fixée à 1. En utilisant cette masse relative comme référence, la masse relative de l'atome de carbone (C) est fixée à 12.
La masse relative de l'atome d'oxygène (O) est fixée à 16, et ainsi de suite (voir le tableau périodique des éléments). La masse relative de l'atome de carbone (C) est de 12, ce qui signifie que sa masse est 12 fois supérieure à celle de l'atome d'hydrogène (H). La masse relative de l'atome d'oxygène (O) est de 16, ce qui signifie que sa masse est 16 fois supérieure à celle de l'atome d'hydrogène (H).
Dans le Système international d'unités (SI), nous avons un étalon de masse, l'iridium-platine, conservé dans les institutions internationales de poids et de dimensions en France. Conformément aux accords internationaux, la masse de l'iridium-platine est de 1 kg, soit le kilogramme standard. À l'échelle atomique, nous avons également un second étalon de masse : l'atome de carbone 12 (¹²C). Selon les accords internationaux, la masse d'un atome de ¹²C est de 12 000 unités de masse atomique unifiées (u).
1 u = 1.66 x 10 -27 kg.
La masse d'un atome de carbone (C) est de 12,0000 u, celle d'un atome d'hydrogène (H) est de 1,0078 u, celle d'un atome d'oxygène (O) est de 15,9994 u, celle d'un atome de sodium est de 22,9897 u, et ainsi de suite. Ces valeurs sont indiquées dans le tableau périodique des éléments.
Outre la masse atomique, il existe également une masse moléculaire. La masse moléculaire est la somme des masses des atomes qui composent une molécule. Par exemple, la masse d'une molécule de sel (NaCl) est égale à la masse d'un atome de sodium (Na) plus la masse d'un atome de chlore (Cl). La masse des molécules d'eau (H₂O ) est égale à la masse de deux atomes d'hydrogène (H) plus la masse d'un atome d'oxygène (O).
Deuxièmement, mouvement brun
Dans l'Antiquité, vivait un biologiste anglais nommé Robert Brown. En 1827, il menait des recherches sur le pollen placé dans l'eau. L'eau et le pollen étant visibles au microscope, Robert Brown fut surpris de constater que le pollen se déplaçait spontanément. Ce qui l'intriguait, c'était le mouvement continu et aléatoire du pollen. Il soupçonna alors que ce mouvement était une forme de vie, le pollen étant ainsi capable de se déplacer. Mais son hypothèse était erronée, car de petites particules organiques comme le pollen se déplacent également lorsqu'elles sont placées dans l'eau. Ce mouvement est appelé mouvement brownien.
Cette découverte ne pourra être expliquée qu'avec le développement de la théorie cinétique.
Théorie cinétique
Le terme « cinétique » signifie « se mouvoir » (du grec). La théorie cinétique stipule que toute substance est constituée d'atomes ou de molécules et que ces atomes ou molécules se déplacent continuellement de manière aléatoire.
Lorsqu'ils se déplacent, les atomes ou les molécules acquièrent une certaine vitesse. Ils possèdent également une masse. Du fait de cette masse (m) et de cette vitesse (v), un atome ou une molécule possède une énergie cinétique (Ec) et une quantité de mouvement (p). L'énergie cinétique est donnée par : Ec = 1/2 mv² . La quantité de mouvement est quant à elle donnée par : p = mv. Outre la quantité de mouvement, des forces s'exercent sur les atomes ou les molécules. Lors d'un mouvement, des collisions sont possibles. Ces forces résultent des variations de quantité de mouvement qui se produisent lors d'une collision.
On peut dire que la théorie cinétique repose sur l'énergie cinétique, la quantité de mouvement et la force. Ces trois notions sont étudiées dans le cadre de la dynamique du mouvement (lois de Newton, impulsion et quantité de mouvement). La différence réside dans le fait que la théorie cinétique applique la dynamique à l'échelle atomique ou moléculaire. La théorie cinétique a été développée par Boyle (1627-1691), Daniel Bernoulli (1700-1782), Joule (1818-1889), Kronig (1822-1879), Rudolf Clausius (1822-1888) et Clerk Maxwell (1831-1879).
L'existence de cette théorie cinétique pourrait expliquer la découverte de Brown. Selon cette théorie, le pollen se déplace grâce à l'énergie propulsée par les molécules d'eau en mouvement rapide. Le nombre de molécules d'eau étant considérable, le pollen est poussé de toutes parts.
S’appuyant sur la loi de comparaison constante et la découverte du mouvement brownien, la théorie atomique est de plus en plus acceptée par les scientifiques. Les atomes sont les plus petites particules de toute substance. Par conséquent, l’atome possède une taille. Quelle est la taille d’un atome ?
En 1905, Einstein étudia théoriquement la taille des atomes. S'appuyant sur la théorie atomique, la théorie cinétique et des données expérimentales, il établit que le diamètre atomique était d'environ 10⁻¹⁰ m . Ainsi, le diamètre de l'atome fut déterminé par le calcul. La taille des atomes ayant été établie, la théorie atomique et la théorie cinétique furent validées.
