I-Les constituants de l`atome

Chimie
 Structure de la matière
I-Les constituants de l’atome
→protons, neutrons, électrons.
Historique :
Première intuition de l’atome à l’antiquité grec.
19ème siècle l’existence de l’atome est admis. Mais aucune idée sur la constitution de l’atome. Grâce à
l’électricité on découvre l’électron.
Ce sont les trois grandes des découvertes de la fin du 19ème siècle, les rayons X, la radioactivité et
les électrons qui ont permis à Ernest Rutherford, Jean Perrin et Niels Bohr d’imaginer le modèle de
l’atome formé d’un noyau de charge Z et d’un cortège de Z électrons, la masse n’étant pas le
paramètre important de la classification.
1-Mise en évidence des électrons
 Expérience des rayons cathodiques (Schéma feuille)
Fluorescence dût aux rayons cathodiques →particules chargées négativement.
Des rayons cathodiques sont émis par la cathode des tubes à rayon X qui vient frapper la
plaque anodique et provoquer l’émission de ces rayons. Ils s’agit enfait de corpuscules de charge
électrique négative. Ces corpuscules sont arrachés des atomes métalliques de la cathode, sous
l’effet de la tension électrique appliquée entre les deux électrodes.
 Rappel sur l’effet d’un champ électrique (Schéma feuille)
Accélérés par le champ électrique, les rayons cathodiques provoquent par leur choc sur
la plaque anodique, l’émission des rayons X.
Expérience de Thomson (Schéma feuille)
(1) source d’électrons (Se) puis accélération par un champ électrique
(2) Filtre de vitesse : (E,B)1 = actions de E et de B, (D) = diaphragme
(3) Action de B seul : mouvement circulaire uniforme
(4) Mouvement rectiligne uniforme
Expérience de Thomson en deux étapes (Schéma feuille)
(FE) Force électrique vers le haut
(FB) Force magnétique vers le bas
E = champ électrique
B = champ magnétique
Se déroule dans le vide
En 1897, Thomson que l’on attribue mesure le rapport –e/me entre la charge négative -e
et la masse me de l’électron.
La valeur de ce rapport est : -e/me = -1.76x1011 C.kg-1
 Expérience de Millikan (Schéma feuille)
En 1909, Millikan réalisa une expérience qui lui permit de mesurer la charge de l’électron
soit : -e = -1.60x10-19 Coulomb
Comme le rapport –e/me était connu, on pût donc en déduire la masse de l’électron, soit : me =
9.1x10-31 kg
2-Mise en évidence des constituants du noyau
Expérience de Rurherford (Schéma feuille)
Feuille d’or très fin (quelques atomes d’épaisseur) que l’on bombarde de particule α, la plupart
traverse la feuille, certaines sont deviées et très peu renvoyé. Donc l’atome est surtout composé
de vide et d’un noyau.
3-Constitution d’un atome (Schéma feuille)
L’atome est composé d’un noyau (protons+neutrons) et d’électrons gravitant autour du
noyau.
A = nbre de nucléons
Z = nbre de protons
Z-A = nbre de neutrons
Z- charge de l’atome = nbre d’électron
4-isotopes
isotope : même élément X, même Z mais A différent.
Ex :
● élément carbone Z=6 →3 isotopes
12C
A=12
12nucléons (6protons+6neutrons)
13C
A=13
13nucléons (6protons+7neutrons)
14C
A=14
14nucléons (6protons+8neutrons)
 98,9%
 1,1%
 traces
● élément chlore Z=17 →2 isotopes
35Cl
A=35
35nucléons (17protons+18neutrons)  75%
37C
A=37
37nucléons (17protons+20neutrons)  25%
● élément hydrogène Z=1 →3 isotopes
1H
A=1
1nucléons (1protons+0neutrons)
2H
A=2
2nucléons (1protons+1neutrons)
3H
A=3
3nucléons (1protons+2neutrons)
5-énergie de cohésion du noyau
(voir feuille)
6-unités
= hydrogène
= deutérium
= tritium
(voir feuille)
S ‘il existe plusieurs isotopes, pour obtenir la masse molaire, il faudra tenir compte de
l’abondance relative de chacun.
Ex :
m(35Cl)=35u.m.a.
m(37Cl)=37u.m.a.
MAIS m(Cl)=75/100x35+25/100x37=35,45u.m.a.
7-application : calcul de l’énergie de cohésion de 73Li (feuille)
Défaut de masse de 73Li :
Mréelle(73Li)= 7,0160u.m.a.
7,0160-7,057= -0,041u.m.a.
Δm= -6,812x10-29kg
Energie de cohésion de 73Li :
Ecohésion(73Li)= Δm x c2
J
kg m.s-1
Ecohésion(73Li) = -6,812x10-29x(2,998x108)2
= -6,122x10-12J
= -6,122x10-12/1,602x10-19
= -3,805x107 eV
= -38,05 MeV
8-modèle planétaire de l’atome
Le modèle planétaire imaginait des électrons tournant autour du noyau. Cependant les
électrons ne sont pas comparable aux planètes : en mouvement, ils rayonnent de l’énergie donc
leur vitesse de rotation diminue et petit à petit ils devraient être absorbés par le noyau qui les
attire par sa charge électrique.
Bohr a évité cette difficulté en postulant que les électrons n’étaient pas dans un véritable
mouvement de rotation mais occupaient des états d’énergie bien précis et étaient placés dans
une région de l’espace délimité par des règles de probabilité.