ατομος - EPS Orléans Tours



25 siècles de découvertes
1-La Grèce antique atomique
Λεύκι
πποςet Δημόκρι
τος, vivant vers -427, proposent que l'être est un tout formé d'une infinité
d'atomes. Le mot atome ( 



) signifie insécable , incassable.
Cette notion d'élément final, unique et représentatif n'émerge pas au hasard au Vème siècle avant J.C.
Elle existait au VIème siècle avant J.C. chez les Pythagoriciens.
Pour les Atomistes, le monde est constitué d'éléments premiers représentatifs : les atomes. La
philosophie atomiste peut se définir par la citation de DEMOCRITE :" si tout corps est divisible à l'infini,
de deux choses l'une : ou il ne restera rien ou il restera quelque chose. Dans le premier cas la matière
n'aurait qu'une existence virtuelle, dans le second cas on se pose la question : que reste-t-il ? La
Démocrite
réponse la plus logique, c'est l'existence d'éléments réels, indivisibles et insécables appelés donc
atomes".
Il expliquait que la matière était constituée de corpuscules en perpétuel mouvement et dotés de qualités idéales;
Ces corpuscules étaient :
"There is nothing but atoms and
1. invisibles à cause de leur extrême petitesse
space, everything else is only an
2. insécables ou indivisibles comme leur nom l'indique
opinion"
3. pleins (pas de vide à l'intérieur)
- Democritus from Abdera
4. éternels car parfaits
5.
6.
entourés d'un espace vide (pour expliquer le mouvement et les changements de
densité)
ayant une infinité de formes (pour expliquer la diversité observée dans la nature , les
atomes sont ronds, crochus, rugueux ou lisses)
2-Le désert de l’atome
Les 4 éléments
Aristote
Au Moyen-Age Les thèses physiques de référence au moyen age sont puisées dans les ouvrages
d'Ἀρι
στοτέλης (384-322 av. J.-C.) vieux de 1000 ans Celui-ci rejette l’idée atomiste et considère
que la «nature des choses» s'expliquait par un savant mélange de quatre éléments : le feu, l'air, l'eau
et la terre.
L'ALCHIMIE DU MOYEN-AGE
L'alchimie est née des progrès de la métallurgie et de l'insuffisance de la théorie des 4 éléments à
représenter la diversité de la matière. Le grand dessein de l'alchimie était d'obtenir la transmutation des
métaux "vils" (tels que le cuivre) en métaux "nobles" tels que l'or. Malgré leur croyance ésotérique, les alchimistes
développèrent l'observation, l'expérimentation, la mesure et la classification des éléments
3-Renaissance de l’atome
Eléments chimiques
Au XVIIème siècle, la volonté d'expérimenter devient pressante. Des savants optent pour la recherche
d'un constituant ultime pour la matière. Les réactions chimiques se justifient ainsi dans l'attraction des
atomes pour autant que ceux-ci possèdent certaines affinités. Mais au seuil du XIXème siècle, peu de
savants chimistes s'intéressent aux thèses atomistes. L'effort est plutôt porté sur l'étude des produits.
LAVOISIER
C'est ainsi que PRIESLEY isole l'oxygène de l'air et que LAVOISIER en trouve la composition.
Redécouverte
La théorie de l'atome de Démocrite sera reprise comme hypothèse de travail par le Britannique John Dalton
(1766-1844). En 1805, celui-ci suppose l'existence des atomes et postule qu'il en existe plusieurs types, alors que,
pas plus que Démocrite, il n'a de preuve expérimentale. En 1808, il propose la première liste des symboles
représentant les différents atomes.
DALTON
1- All matter consists of tiny particles.
2Atoms
are indestructible and
unchangeable.
En 1830 un
chimiste
français
GAUDIN,
propose une
définition de
l'atome :
3- Elements are characterized by the mass of their atoms.
4- When elements react, their atoms combine in simple, whole-number
ratios.
"un atome sera pour nous un petit corps
sphéroïde quelconque ou point matériel
indivisible tandis qu'une molécule sera un
groupe isolé d'atomes en nombre quelconque
et de nature quelconque".
Il propose pour la synthèse de l'eau :
1
4- L’atome n’est plus l’atome
électron
Suite à des expériences sur l’électricité HELMOTZ propose une matérialisation de la charge électrique.
Il définit une quantité électrique naturelle élémentaire (principe de l'élément représentatif unique) qu'il
baptise électron.
Joseph John Thomson, en 1904, imagine que les atomes sont des sphères remplies d’une substance
électriquement positive et fourrée d’électrons négatifs. La charge de l’électron est = -e avec e
(charge élémentaire)= 1.6x10- 19 C.
Ainsi donc au seuil du XX ème siècle, l'atome n'est plus le constituant ultime de la matière.
L'élément ultime de la matière est cassable. Se pose alors la question de sa structure.
Noyau
EXPERIENCE DE RUTHERFORD En 1909, E. RUTHERFORD, E. MARSDEN
et H. GEIGER eurent l'idée de bombarder une fine feuille d'or, placée dans
une enceinte vide, par un faisceau de particules (qui sont des atomes
d’hélium ayant perdu deux électrons). Ils observèrent que la tache sur
l’écran fluorescent gardait la même intensité avec ou sans feuille d'or
interposée ! La plupart des particules traversaient donc la feuille métallique.
Certaines particules  étaient légèrement déviées, comme en témoignaient
les impacts fluorescents sur l’écran. Quelques rares particules , une sur 20
à 30 000, subissaient de grandes déviations (supérieures à 90 degrés) et
étaient donc renvoyées vers l'arrière.
Rutherford en déduisit (mais cela lui prit 2 ans de réflexion), que l’atome
est constitué d’un noyau très petit par rapport à la taille de l’atome et qui
concentre l’essentiel de la masse et toutes les charges positives, et d’un
cortège électronique dont le volume est celui de l’atome.

Les particules


arrivent sur la plaque d'or avec une très grande vitesse
(17.103 km.s-1) et l'on admet que les phénomènes observés sont dus aux
chocs des particules soit sur les électrons soit sur les noyaux d'or.
Au vu des ces expériences RUTHERFORD
propose un nouveau modèle : Les électrons
tournoient autour du noyau, noyau dans lequel
sont concentrés les charges positives.
Si l'atome a une taille
10-10 m,
celle du
noyau est de l'ordre de 10- 15 m
Ce modèle présente une grande analogie avec
le la représentation que l'on a du système
solaire.
Rutherford comprend que le noyau est luimême
composé
de nucléons. Ces nucléons sont de deux
Les masses seront déterminées plus tard :
sortes: un proton de charge positive, un neutron de
Mp = 1.6727x10- 27 kg
charge neutre,
Mn = 1.6743x10 -27 kg puis celle de l’électron
Le neutron sera effectivement découvert en 1932 par
-31
me = 9.109x10 kg
Chadwick.
Cependant, ce modèle pose de nombreux problèmes, la durée
de vie d’un atome devrait être courte alors qu’ils semblent quasi éternels.
Modèle de BOHR
Afin de rendre compte de cette stabilité atomique, Niels Bohr crée en 1913 un nouveau modèle d'atome:
Les orbites des électrons ne sont pas quelconques mais "quantifiées"; seules certaines orbites particulières so nt
permises pour l'électron. Ce n'est que lorsque celui-ci saute d'une orbite à l'autre qu'il peut émettre (ou absorber)
de la lumière. Ceci pour expliquer l’observation des spectres d’émission.
5- Au-delà de l’atome
Onde et matière
Le modèle de Bohr est le dernier modèle obéissant à la physique
classique, c'est-à-dire la physique qui explique les mouvements et les
phénomènes existant à notre échelle humaine. Ces modèles d'atomes
sont donc faciles à comprendre et à se représenter. Eh bien ce modèle
est faux car à l'échelle atomique, de nouvelles lois s'appliquent! Ces lois
appartiennent à une étrange physique très éloignée de nos concepts
courant: la physique quantique. Il faut associer une onde aux électrons
qui ne sont donc plus de la matière selon le sens commun Cette onde
représente la probabilité de présence de l'électron. Il n'est pas possible de
connaître simultanément position et vitesse, énergie et temps, pour une
particule, sans indétermination.
Quarks
le noyau n'est pas un simple amalgame de protons et neutrons. Qui plus est, il n'est pas toujours
stable, pour preuve la radioactivité, la fission et la fusion nucléaire. En 1964, GELL-MANN et ZWEG
proposent l'existence de particules élémentaires : les quarks. Neutrons, protons ne sont plus
élémentaires. Les quarks ont la caractéristique inhabituelle d'avoir une charge électrique
fractionnaire de 2e/3 ou de -e/3
2
QUESTIONS
A . Les origines ( parties 1,2 et 3)
1. parmi les 6 propositions de Démocrite sur les propriétés des atomes, lesquelles pensez-vous vous
semblent exactes ? sinon donner une raison. Les réponses seront éventuellement corrigées en fin
d’activité.
2. Pour quelle raison pensez-vous que Démocrite introduit la notion d’atome crochu ?
3. Quelle théorie a pris le pas sur celle de Démocrite pendant plus d’un millénaire après lui.
4. Pourquoi la théorie atomique des grecs est-elle restée en sommeil pendant près de 2000 ans
5. Malgré ses croyances ésotériques, qu’a apportée l’alchimie à la connaissance en chimie ? A la lumière du
TP réalisé sur le cuivre , pensez-vous que la « transmutation des métaux » est possible en chimie.
6. Lavoisier a-t -il eu besoin de la théorie atomique pour trouver sa loi de conservation.
7. La théorie de DALTON vers 1800, apporte t-elle plus de preuves sur l’existence des atomes que celle de
Démocrite ? Comparer les propriétés des atomes de DALTON et de DEMOCRITE.
8. Quelle distinction fait GAUDIN entre atome et molécules ?
B. Les découvertes ( parties 4 et 5)
1. Qu’apporte à l’idée d’atome les découvertes de THOMSON ? Quelle est la différence fondamentale avec le
concept d’atome qui existait jusque là ?
2. Décrire l’expérience de RUTHERFORD et expliquer les conclusions qu’il a pu en tirer. Quelles particules ont
été ensuite mises en évidence.
3. quel problème cause le modèle planétaire de RUTHERFORD et quelle solution y apporte BOHR en 1913 ?
4. Un proton est constitué de 3 quarks ( mélange de u (up) et de d(down) ) Même chose pour un neutron.
Trouver la structure du proton ou du neutron
5. La charge électrique élémentaire est-elle si élémentaire que ça ?
6. Finalement quelles sont les propriétés prévues par Démocrite qui correspondent à la réalité.
C bilan : L’atome à l’heure actuelle
Compléter le tableau résumant les caractéristiques des particules composant un atome
nom
Charge ( C)
nom
Un atome est électriquement …………………..
Masse(kg)
Charge ( C)
car il possède autant de ………………….
Rayon (m)
Masse(kg)
que d’……..
La masse d’un atome est concentrée dans ……….
On dit que la matière a une structure lacunaire car elle est essentiellement constituée de ………………………
D Retour à l’expérience de RUTHERFORD
1. On propose d'abord une analogie macroscopique : une balle de tennis serait-elle déviée si elle
heurtait une balle de ping-pong ? Serait-elle déviée si elle heurtait une boule de pétanque ? Justifier
la réponse.
2.a Les particules 
sont constituées de deux neutrons et de deux protons. À l'aide des données
déterminer leur masse et leur charge.
2.b Quel est le rapport de la masse d'une particule à celle d'un électron ?
3.a Déterminer la masse des noyaux d'or dont le symbole est 197
79 Au .
3.b Quel est le rapport de la masse d'une particule à celle d'un noyau d'or ?
4. En utilisant l’analogie macroscopique précédente, préciser les particules sur lesquelles ricochent
les particules 
lors de la traversée de la feuille d'or.
5. L’épaisseur des feuilles d'or utilisées était voisine de 500 nm. L'atome d'or est assimilable à une
sphère de 150 pm de rayon. Déterminer le nombre de couches d'atomes d'or de la feuille. ( rappel :
pico=10-12 m)
6. Comment expliquer que la quasi-totalité des particules puisse traverser les différentes couches ?
Rutherford
Le document (partie 4) schématise l’expérience de E. Rutherford.
7. Que représentent les cercles en contact les uns avec les autres ? Que représente le point au milieu de chaque
cercle ?
8. Sachant que le rayon d'un atome d'or est de 144 pm et celui d'un noyau d'or est de 7 fm, quel est le rapport des
volumes du noyau et de l'atome ? Le schéma est-il à l'échelle ? ( rappel : femto=10 -15 m)
9. D'après le document ci-contre, lorsqu'une particule passe près d'un noyau, est-elle attirée ou repoussée par lui
? Que peut-on en déduire quant à la charge du noyau ?
10. Comment peut-on expliquer que certaines particules soient renvoyées vers l'arrière ? Faire un schéma de cette
situation.
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