2 Bac pro date : ÉTUDE DOCUMENTAIRE Le texte proposé ci-dessous est un extrait d'un livre de Georges CHARPAK1 [1]. «Lorsque j'entrai au Laboratoire dirigé par Joliot2 au Collège de France, la connaissance que j'avais de la structure de la matière ne devait guère dépasser celle acquise par un lycéen de 1993 abonné à de bonnes revues de vulgarisation. . Je les résume rapidement : la matière est composée d'atomes, eux-mêmes constitués de noyaux entourés d'un cortège d'électrons. Les noyaux portent une charge électrique positive qui est de même valeur et de signe opposé à la charge des électrons qui gravitent autour du noyau. La masse d'un atome est concentrée dans le noyau. [...] Le noyau de l'hydrogène, ou proton, porte une charge électrique positive. Celui-ci a un compagnon, le neutron, qui est neutre électriquement et a sensiblement la même masse. Tous deux s'associent de façon très compacte pour constituer les noyaux qui sont au cœur des atomes peuplant notre univers. Ils s'entourent d'un cortège d'électrons dont la charge compense exactement celle des protons. En effet, la matière est neutre sinon elle exploserait en raison de la répulsion qu'exercent l'une sur l'autre des charges de même signe, positif ou négatif. Il faut avoir en tête l'échelle des dimensions. Le diamètre d'un atome est voisin d'un centième de millionième de centimètre. Celui d'un noyau d'atome est cent mille fois plus petit. On voit donc que presque toute la masse d'un atome est concentrée en un noyau central et que, loin de la périphérie, se trouve un cortège qui est fait de charges électriques négatives, les électrons. C'est ce cortège seul qui gouverne le contact des atomes entre eux et donc tous les phénomènes perceptibles de notre vie quotidienne, tandis que les noyaux, tapis au cœur des atomes, en constituent la masse». Georges CHARPAK Extrait du livre «La vie à fil tendu» 1. Renseigner le tableau après lecture du texte de G. Charpak (vous pouvez utiliser des locutions telles que "opposé à", "presque comme", autant que"...). Particule Où ? Charge Masse Combien ? 2. Proposer un titre à cet extrait. [1] G. CHARPAK : «La vie à fil tendu», Éditions O. Jacob, 1993, pp.139-141. 1 Georges CHARPAK est un physicien français d'origine polonaise né en 1924. Il devient Nobel de physique en 1992, pour ses travaux sur la détection des particules (les chambres proportionnelles multifils). 2 Frédéric JOLIOT-CURIE (1900-1958) est un physicien français. En compagnie de sa femme Irène J OLIOT-CURIE (18971956), il obtient le prix Nobel de chimie 1935, pour leur découverte de la radioactivité artificielle. Ph. Georges Sciences 1/4 2 Bac pro date : LA STRUCTURE DE L'ATOME I- ÉTUDE DOCUMENTAIRE Tableau compléter uniquement avec les informations extraites du texte. particules du noyau Particule électron proton neutron Où ? autour du noyau noyau noyau Charge négative (opp. charge du proton) Masse négligeable positive (opp. charge de l'électron) presque comme le neutron presque comme le proton Combien ? autant que de protons autant que d'électrons ? 0 Tableau avec quelques données complémentaires nucléons Particule électron proton neutron Où ? autour du noyau noyau noyau Charge charge élémentaire – e charge élémentaire e 0 Masse mélectron<< mnucléon Combien ? Z mproton = mneutron =1836.mélectron Z A–Z II- CONSTITUTION DE L'ATOME Un atome est constitué d'un noyau autour duquel "gravitent" des électrons. 1- Le noyau Le noyau d'un atome est composé de nucléons : les protons et les neutrons. Proton : mp 1,67 . 10 – 27 kg charge électrique : e = 1,609 . 10 – 19 C Neutron : mn 1,67 . 10 – 27 kg charge électrique nulle. Le nombre de protons est le numéro atomique Z. Le nombre de nucléons (protons et neutrons) est le nombre de masse A. Le coulomb de symbole C est l'unité de quantité d'électricité. e est une charge élémentaire (on n'a pas encore trouvé plus petit). 2- Les électrons Masse : me– = 0,91 . 10 – 30 kg Charge électrique : – e = – 1,609 . 10 –19 C La masse de l'électron est négligeable devant celle d'un nucléon. L'électron a une masse 1836 fois plus faible que celle d'un nucléon. Ph. Georges Sciences 2/4 2 Bac pro date : La charge d'un électron est une charge élémentaire négative. L'électron est en mouvement incessant autour du noyau mais on ne sait pas quelle est sa trajectoire. La notion de trajectoire n'a pas de sens pour un électron à l'intérieur d'un atome. On peut juste déterminer la probabilité de présence de l'électron en un point. L'analogie du joueur de dé Le joueur ne peut pas prévoir avec certitude le résultat d'un lancer, de même que l'on ne peut pas affirmer que l'électron est en un point donné. Mais de même que le joueur peut affirmer que la probabilité de tirer un 4 est de 1/6 (1 chance sur 6), le chimiste quantique peut calculer la probabilité de trouver l'électron au voisinage d'un point choisi. Ainsi, pour l'atome d'hydrogène, la probabilité de trouver l'électron à l'intérieur d'une sphère de rayon r = 2,97.10 – 10 m est de 0,999. Il y a 1 chance sur 1000 de le rencontrer à l'extérieur de cette sphère. 3- L'atome Chaque atome est constitué d'un noyau chargé positivement et n– n+ d'électrons chargés négativement. Le nombre d'électrons est égal au nombre de protons du noyau. L'atome est électriquement neutre. La masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons. L'essentielle de la masse d'un atome est concentrée dans son noyau. La masse de l'atome est pratiquement égale à celle de son noyau. La "sphère", attention il s'agit d'une modélisation, dans laquelle se déplacent les électrons détermine l'encombrement de l'atome. L'encombrement des atomes est celui d'une sphère de quelques 10 – 10 m de diamètre, en général 2 ou 3 10 – 10 m. Dans cette représentation, le diamètre du noyau est environ dix mille fois plus petit que celui de l'atome. Entre les électrons et le noyau, il n'y a que le vide. L'atome a un caractère lacunaire. Exemple : l'atome d'hydrogène possède un proton et un électron. L'électron et le proton, assimilés à des sphères, ont des rayons de l'ordre de 10 – 15 m. La "sphère" modélisant l'atome a un rayon d'environ 5.10 – 11 m. Une bille dans une sphère englobant un terrain de football !! Ph. Georges Sciences 3/4 2 Bac pro date : 4- Les isotopes Les atomes dont les noyaux contiennent le même nombre de proton (Z protons) mais un nombre différent de neutrons sont des isotopes. Les isotopes d'un élément ont le même numéro atomique Z mais un nombre de masse A différent. Exemple d'isotopes : l'hydrogène ordinaire 11 H 12 6 carbone 12 oxygène 16 C (98,9 %) 16 8 O le deutérium 21 H carbone 13 oxygène 17 17 8 13 6 le tritium 31 H C (1,1 %) O oxygène 18 carbone 14 18 8 14 6 C O Remarque : l'ensemble des atomes dont le noyau possède le même couple (Z, A) est un nucléide. L'atome étant électriquement neutre, les isotopes d'un même élément ont le même nombre d'électrons. Les isotopes peuvent être stables ou instables. Ce sont les isotopes instables qui donnent lieu à une désintégration radioactive. Exemple : l'uranium naturel est composé est composé de trois isotopes radioactifs émettant tous des rayons alpha (particule composée de 2 p et 2 n) : 99,28 % d'uranium 238, 0,71 % d'uranium 235 (92 p, 143 n) et 0,006 % d'uranium 234. L'uranium 235 se prête beaucoup mieux à la fission que les deux autres. L'univers contient environ 10 78 noyaux répartis entre quelques 300 nucléides. Plus d'un millier d'autres ont été préparé dans des laboratoires de physique nucléaire. III- RÉACTIONS CHIMIQUES – RÉACTIONS NUCLÉAIRES Les réactions chimiques ne perturbent jamais le nombre de nucléons. Au cours d'une réaction chimique, seuls les électrons interviennent. Un ou plusieurs électrons peuvent même être arrachés ou rajoutés. L'édifice n'est alors plus électriquement neutre mais les nombres A et Z sont conservés. Il y a conservation des éléments. Les réactions nucléaires perturbent le noyau : en général il y a transmutation c'est-à-dire apparition d'éléments nouveaux. Exemple : le choc entre un noyau d'hélium 42 He et un noyau d'azote d'oxygène Ph. Georges 17 8 14 7 N peut donner un noyau O et un noyau d'hydrogène 11 H . Sciences 4/4