Du vide dans l`univers

DU
VIDE DANS L’UNIVERS
?
Y a-t-il du vide dans l’Univers ?
j On dit que « le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire ».
Cherchez dans le texte la phrase qui permet de l’affirmer. Justifiez votre réponse.
La visualisation d’une situation, impliquant des distances ou des dimensions trop considérables pour êtres
parlantes, nécessite la réduction à une échelle plus familière. Le rayon du Soleil est à peu près cent fois
plus grand que celui de la Terre : réduisons-le à la taille d’un pamplemousse. Que devient alors le système
solaire ? La Terre a la grosseur d’une tête d’épingle située à environ 12 m. Jupiter a la taille d’une cerise à
plus de 60 m et Pluton n’est qu’un petit grain de sable à près de 500 m. Cette image nous aide à prendre
conscience de la très faible occupation de l’espace : comparées à leurs distances mutuelles, les planètes
sont minuscules. […]
Continuons notre description de la Galaxie : à cette échelle, elle devient un immense tas de
pamplemousses : cent milliards environ dans un disque de 20 millions de km de rayon. Mais les étoilespamplemousses sont-elles véritablement entassées dans cette représentation de notre Galaxie ? L’étoile la
plus proche du Soleil, Proxima Centauri, serait, à cette échelle, un autre pamplemousse situé à 3 000 km
du premier. Voilà qui nous aide à prendre conscience de ce que sont les distances mutuelles des étoiles !
L. Gouguenheim
Méthodes de l’astrophysique, Hachette CNRS, 1981
k Sachant que la distance Terre-Soleil est environ de 150 millions de km, par quel
nombre l’auteur a-t-il divisé cette distance pour effectuer la réduction ? (Ce nombre est
appelé taux de réduction)
Y a-t-il du vide dans les atomes ?
Au collège, vous avez vu que la matière est constituée d’atomes. Eux mêmes sont constitués
de particules plus petites : le noyau et les électrons. Nous allons voir comment ces particules
sont réparties dans l’atome.
j Imaginons que des atomes d’or soient des boules pleines collées les unes contre les
autres (sans espace entre elles). Des particules, même minuscules, pourraient-elles
traverser une feuille d’or ? Sinon, que leur arriverait-il ?
En 1909, la structure de l’atome reste encore du domaine des hypothèses. Le physicien britannique Ernest
Rutherford (1871-1937) réalise une expérience décisive : il bombarde une feuille d’or très fine avec des
particules α émises par un corps radioactif. Les particules α sont beaucoup plus petites que les atomes
d’or. Rutherford considère que la feuille d’or est constitué d’environ 1000 couches parallèles d’atomes.
Il observa alors que seule une infime minorité de particules α semble rebondir sur la feuille d’or : une sur
100 000. La grande majorité des particules α traversent la feuille et ne sont pas déviées.
k D’après l’expérience de Rutherford,
quelle observation permet d’affirmer que
l’hypothèse de la question j est fausse (les
atomes sont des boules pleines) ?
Feuille d’or
très fine
Faisceau de
α
particules α
l Peut-on dire que la structure des atomes
est lacunaire ?
m Choisir parmi les analogies suivantes,
Source émettrice
celle qui pour vous traduit le mieux
de particules α
α
l’expérience de Rutherford :
a) des joueurs de tennis qui envoient des balles contre un mur.
b) un enfant qui jette du sable à travers un grillage
c) un chasseur qui tire des balles à travers une feuille de papier.
n Complétez la phrase suivante : (à retenir)
Un atome contient un . . . . . . . . entouré d’un nuage d’. . . . . . . .
Entre le noyau et les électrons, il y a du . . . . . . . .
Exercice : les dimensions de l’atome
Si le nuage d’électrons de l’atome d’or avait
la taille du Stade de France, quel objet
représenterait le mieux le noyau placé au centre :
− une bille de 1,5 cm de diamètre
− une balle de tennis de 6,5 cm
− ou un ballon de foot de 22 cm ?
Données :
• diamètre du Stade de France : 274 m
• diamètre du nuage d’électrons de
l’atome d’or : 0,144 nm
• diamètre du noyau :7.10-15 m
Quel est ici le taux
d’agrandissement utilisé ?
Y a-t-il du vide dans l’Univers ?
j On dit que « le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire ».
Cherchez dans le texte la phrase qui permet de l’affirmer. Justifiez votre réponse.
« Cette image nous aide à prendre conscience de la très faible occupation de l’espace :
comparées à leurs distances mutuelles, les planètes sont minuscules. […] »
n Complétez la phrase suivante : (à retenir)
Un atome contient un noyau entouré d’un nuage d’électrons.
Entre le noyau et les électrons, il y a du vide.
Exercice : les dimensions de l’atome
« lacune » = espace vide à l’intérieur d’un corps. (Dictionnaire Larousse)
Objet
Dimension réelle
Dimension à l’échelle
Entre les étoiles et les planètes, il n’y a pas de matière, il y a du vide. On dit donc que la
structure de l’Univers est lacunaire : il manque de la matière à certains endroits.
nuage
1,44.10-10 m
274 m
noyau
7.10-15 m
x
k Sachant que la distance Terre-Soleil est environ de 150 millions de km, par quel
nombre l’auteur a-t-il divisé cette distance pour effectuer la réduction ? (Ce nombre est
appelé taux de réduction)
150 millions de km = 150.106 km = 150.109 m
1 × 150.10 9
le taux de réduction est :
= 1,25.10 10 soit 12,5 milliards de fois plus petit
12
Y a-t-il du vide dans les atomes ?
j Imaginons que des atomes d’or soient des boules pleines collées les unes contre les
autres (sans espace entre elles). Des particules, même minuscules, pourraient-elles
traverser une feuille d’or ? Sinon, que leur arriverait-il ?
Si les atomes d’or étaient des boules pleines collées les unes contre les autres, des particules ne
pourraient pas les traverser. Elles rebondiraient dessus.
k D’après l’expérience de Rutherford, quelle observation permet d’affirmer que
l’hypothèse de la question j est fausse (les atomes sont des boules pleines)?
Dans l’expérience de Rutherford, les particules α peuvent traverser la feuille d’or donc
l’hypothèse de la question j est fausse : les atomes de ne sont pas des boules pleines collées les
unes contre les autres car les particules peuvent traverser les atomes.
l Peut-on dire que la structure des atomes est lacunaire ?
On peut affirmer que la structure des atomes est lacunaire car des particules peuvent
traverser les atomes : ils contiennent donc du vide.
m Choisir parmi les analogies suivantes, celle qui pour vous traduit le mieux
l’expérience de Rutherford :
b) un enfant qui jette du sable à travers un grillage
7.10 −15 × 274
≈ 1,33.10 −2 m
1,44.10 −10
Soit environ 1,5 cm la taille d’une bille !
La dimension du noyau serait : x =
274
≈ 1,9.10 12
1,44.10- 10
Soit un taux d’agrandissement d’environ 1900 milliards…
Taux d’agrandissement utilisé :
Du vide dans l’Univers
Q cours (1 heure)
£ TP
Q séance d’exercices
£ contrôle
1. Programme
Chimie II – Constitution de la matière
1.1. Un modèle de l’atome
Dimension : Ordre de grandeur du rapport des dimensions respectives de l’atome et de son noyau.
Physique I – Exploration de l’espace
1.2. Échelle des longueurs
Savoir que le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire, aussi bien au niveau de l’atome qu’à
l’échelle cosmique.
2. Prérequis
Utiliser les unités de longueur et les puissances de 10.
3. Type(s) d’action à mettre en œuvre dans la séance :
apport de connaissances
compréhension d’une notion
entraînement à l’utilisation d’une notion
mémorisation
évaluation des acquis
évaluation (contrôle)
x
x
x
x
x
4. Objectifs : les actions des élèves
Découvrir que la structure de la matière est lacunaire aussi bien au niveau de l’atome qu’à l’échelle
cosmique.
Interpréter les résultats d’une expérience scientifique.
6. Organisation de la séance :
Chaque élève travaille seul. La correction peut se faire éventuellement en classe entière.
Prévoir des exercices pour les élèves plus rapides.