Atome et mécanique de Newton

1) Introduction : du monde classique à l’atome

La mécanique de Newton décrit avec succès le mouvement des corps macroscopiques. À l’échelle de l’atome, elle reste utile pour modéliser certaines grandeurs (trajectoires, bilans énergétiques) mais montre des limites qui ont conduit à la physique quantique. Ce cours relie les lois de Newton (forces, dynamique, énergie) aux modèles atomiques (Rutherford, Bohr) et introduit la transition vers la quantification.

Objectifs Bac (SM) : mobiliser \( \vec F = m\vec a \), centripète, énergie potentielle de Coulomb, comparer gravitation/Coulomb, justifier la quantification par les limites du modèle newtonien.

2) Rappel des lois de Newton & outils dynamiques

Deuxième loi (fondamentale) : \(\boxed{\ \sum \vec F = m\,\vec a\ }\).

Force centripète (mouvement circulaire) : \(\boxed{\ \vec F_c = m\,\dfrac{v^2}{r}\,\vec u_r\ \text{(vers le centre)} }\).

  • Énergie cinétique : \(E_c=\tfrac12 m v^2\).
  • Puissance d’une force : \(p=\vec F\cdot\vec v\).
  • Travail (force conservative) : \(\Delta E_p=-W\), énergie mécanique \(E=E_c+E_p\).

3) Forces fondamentales en jeu : gravitation vs Coulomb

Gravitation : \( \vec F_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r^2}\,\vec u_r\). Coulomb : \( \vec F_e = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}\,\vec u_r\) avec \(k=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\).

  • Pour proton–électron : \( |F_e| \gg |F_g| \) (Coulomb domine à l’échelle atomique).
  • Potentiel de Coulomb (attractif pour charges opposées) : \(E_p(r) = -\,k\,\dfrac{e^2}{r}\).

4) Modèles atomiques : Rutherford & Bohr (lecture newtonienne)

4.1 Rutherford (1911) : noyau central et électrons périphériques

Diffusion \(\alpha\) sur feuille d’or ⇒ noyau massif et positif ; électrons autour. Mais le modèle planétaire classique instable (rayonnement de charge accélérée).

4.2 Bohr (1913) : conditions de stabilité quantifiées

Hypothèses (pour l’hydrogène) :

  • Orbitation circulaire par équilibre centripète : \(\dfrac{m_e v^2}{r} = \dfrac{k e^2}{r^2}\).
  • Quantification du moment cinétique : \(m_e v r = n\,\hbar\), \(n\in\mathbb{N}^*\).

Rayons et énergies quantifiés :

\(\displaystyle r_n = a_0\,n^2,\quad a_0=\dfrac{\hbar^2}{m_e k e^2}\ ;\qquad E_n = -\dfrac{13{,}6}{n^2}\ \text{eV}\).

La mécanique newtonienne seule ne justifie pas la quantification : elle est postulée (Bohr). La théorie complète viendra avec Schrödinger (orbitales), hors du cadre strictement newtonien.

5) Dynamique newtonienne de l’électron sur une orbite circulaire

Équilibre centripète/electrostatique :

\[\frac{m_e v^2}{r} = \frac{k e^2}{r^2}\ \Rightarrow\ v=\sqrt{\frac{k e^2}{m_e r}}.\]

Énergie potentielle \(E_p=-k\dfrac{e^2}{r}\), énergie cinétique \(E_c=\tfrac12 m_e v^2=\tfrac12 k\dfrac{e^2}{r}\) ⇒ énergie totale

\[\boxed{\,E=E_c+E_p=-\frac{1}{2}\,k\frac{e^2}{r}\,}\quad(<0)\ .\]

  • État lié (\(E<0\)) : l’électron reste captif ; plus \(r\) est petit, plus \(E\) est bas (plus négatif).
  • État libre (\(E\ge 0\)) : ionisation (électron arraché).

6) Limites de la mécanique newtonienne à l’échelle atomique

  • Rayonnement des charges accélérées : un électron en orbite classique perdrait de l’énergie et s’effondrerait sur le noyau ⇒ contradiction avec la stabilité de l’atome.
  • Discrétisation expérimentale des spectres (raies) non prédite par Newton sans postulat ad hoc.
Ces limites motivent l’introduction de la quantification (Bohr) puis de la mécanique ondulatoire (Schrödinger), qui remplacent la trajectoire par une fonction d’onde.

7) Ouverture : dualité onde–corpuscule (pont vers la quantique)

De Broglie (1924) : à toute particule de quantité de mouvement \(p\) est associée une longueur d’onde \( \lambda = \dfrac{h}{p}\). Les électrons manifestent des phénomènes d’interférence ⇒ description ondulatoire nécessaire à l’échelle atomique.

  • Dans le modèle de Bohr, la condition \(m_e v r = n\hbar\) s’interprète comme résonance stationnaire : \(2\pi r = n\lambda\).
  • La mécanique newtonienne reste un outil d’approximation (bilans, ordres de grandeur) mais n’est plus fondatrice.

8) Applications numériques guidées

Exemple A — Vitesse orbitale (n=1) selon Bohr : avec \(r_1=a_0\), \(v_1=\dfrac{\hbar}{m_e a_0} \approx \alpha c\) (constante de structure fine \(\alpha\approx 1/137\)). Ordre de grandeur : \(v_1\approx 2{,}2\times10^6\ \text{m·s}^{-1}\).

Exemple B — Énergie totale : \(E=-\tfrac12 k\dfrac{e^2}{r}\). Pour \(r=a_0\), on retrouve \(E_1\simeq -13{,}6\ \text{eV}\).

9) Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe de \(E_p\) de Coulomb (négatif pour charges opposées).
  • Assimiler \(E_c = k e^2/r\) (il y a un facteur \(1/2\)).
  • Confondre orbites (Bohr) avec orbitales (Schrödinger) — ne pas mélanger les modèles.
  • Appliquer \( \vec F = m\vec a\) sans vérifier l’orientation (centripète vers le centre).

10) Exercices type Bac (12) — solutions détaillées

Ex.1 — Coulomb vs gravitation

Comparer \(F_e\) et \(F_g\) entre proton et électron distants de \(r\). Exprimer \(\dfrac{F_e}{F_g}\) en fonction de constantes.

\(\dfrac{F_e}{F_g}=\dfrac{k e^2/r^2}{G m_p m_e/r^2}=\dfrac{k e^2}{G m_p m_e}\) (indépendant de \(r\)). Numériquement \(\sim 10^{39}\) ⇒ \(F_e\) domine.

Ex.2 — Vitesse orbitale classique

Pour une orbite circulaire de rayon \(r\), montrer \(v=\sqrt{\dfrac{k e^2}{m_e r}}\), puis calculer \(v\) pour \(r=a_0\).

De \(m_e v^2/r = k e^2/r^2\) ⇒ \(v=\sqrt{k e^2/(m_e r)}\). Pour \(r=a_0\), \(v=\hbar/(m_e a_0)\approx 2{,}2\times10^6\ \text{m·s}^{-1}\).

Ex.3 — Énergie totale

Établir \(E=-\tfrac12 k e^2/r\) pour l’orbite circulaire. Quelle est la signification de \(E<0\) ?

Avec \(E_p=-k e^2/r\) et \(E_c=+\tfrac12 k e^2/r\) ⇒ somme \(E=-\tfrac12 k e^2/r\). \(E<0\) : état lié.

Ex.4 — Rayons de Bohr

Partant de \(m_e v r= n\hbar\) et de l’équilibre centripète, déduire \(r_n=a_0 n^2\).

De \(m_e v r=n\hbar\Rightarrow v=n\hbar/(m_e r)\). Équilibre : \(m_e v^2/r=k e^2/r^2\Rightarrow m_e(n^2\hbar^2/m_e^2 r^2)/r=k e^2/r^2\Rightarrow r=\dfrac{n^2\hbar^2}{m_e k e^2}=a_0 n^2\).

Ex.5 — Niveaux d’énergie

Montrer que \(E_n=-\dfrac{13{,}6}{n^2}\ \text{eV}\) pour l’atome d’hydrogène à partir des résultats précédents.

Insérer \(r_n=a_0 n^2\) dans \(E=-\tfrac12 k e^2/r\) et utiliser les constantes ⇒ \(E_n\) ci-dessus.

Ex.6 — Transition spectrale

Calculer l’énergie du photon émis lors de la transition \(n=3 \to n=2\).

\(\Delta E=E_2-E_3=-3{,}4-(-1{,}51)=1{,}89\ \text{eV}\) ⇒ \( \lambda=\dfrac{hc}{\Delta E}\approx 656\ \text{nm}\) (raie H-\(\alpha\)).

Ex.7 — Ionisation

Énergie minimale pour arracher l’électron depuis \(n=1\) ?

\(E_\text{ion}=-E_1=13{,}6\ \text{eV}\).

Ex.8 — Travail des forces

Lors d’un passage \(r_1\to r_2\) (cercle→cercle), calculer le travail de la force de Coulomb.

Force conservative : \(W = -\Delta E_p = -\left[-k e^2\left(\dfrac{1}{r_2}-\dfrac{1}{r_1}\right)\right]= k e^2\left(\dfrac{1}{r_2}-\dfrac{1}{r_1}\right)\).

Ex.9 — Accélération centripète

Exprimer \(a_c\) pour l’orbite de rayon \(r\) puis donner \(a_c\) en fonction uniquement de \(r\).

\(a_c=v^2/r = k e^2/(m_e r^2)\cdot 1/r = k e^2/(m_e r^3)\).

Ex.10 — Dualité & condition de stationnarité

À partir de \(\lambda=h/(m v)\), montrer que la condition \(2\pi r=n\lambda\) conduit à \(m v r=n\hbar\).

\(2\pi r=n\,\dfrac{h}{m v}\Rightarrow m v r = n\dfrac{h}{2\pi}=n\hbar\).

Ex.11 — Énergie et signe de \(E_p\)

Pourquoi \(E_p(r)=-k e^2/r\) est négative ? Interpréter physiquement.

Référence \(E_p(\infty)=0\). L’interaction est attractive : il faut fournir un travail positif pour amener l’électron à l’infini ⇒ \(E_p(r)<0\).

Ex.12 — Limites du modèle

Donner deux raisons pour lesquelles la mécanique newtonienne est insuffisante pour l’atome.

(1) Stabilité : un électron accéléré devrait rayonner (non observé). (2) Spectres discrets nécessitant la quantification (Newtons + Coulomb ne suffisent pas).

11) Mini-fiche récapitulative

  • Équilibre centripète–Coulomb : \( m v^2/r = k e^2/r^2\) ⇒ \(E=-\tfrac12 k e^2/r\).
  • Bohr : \(m v r = n\hbar\), \(r_n=a_0 n^2\), \(E_n=-13{,}6/n^2\ \text{eV}\).
  • Le modèle classique explique des ordres de grandeur, mais la quantification est indispensable.
  • Ouverture : \( \lambda=h/(m v)\) (de Broglie), orbitales (Schrödinger).

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