Rem : pourquoi le modèle de Rutherford est

1
3ème cours chimie
chap 1 : STRUCTURE de la MATIERE : ATOMES et IONS
Pendant des siècles, savants, penseurs et philosophes ont considéré que la matière était constituée à partir de
quatre éléments : l’eau, la terre, l’air et le feu. À la fin du XVIIIe siècle, les chimistes, s’inspirant d’une idée de
la Grèce antique, ont élaboré une théorie dans laquelle la matière est composée de toutes petites particules.
Quelles sont ces particules ?
1) Introduction en forme d’énigme…
Démocrite
Imaginons qu’un géant intergalactique veule « casser » la planète Terre pour en analyser un petit morceau…
2) L’atome et ses modèles : activité documentaire
Répondre aux questions à l’aide du texte ci-dessous (obligatoire) et des animations sur Internet (facultatif)
Dès 420 avant JC, Démocrite (philosophe grec) a l’intuition de l’existence des atomes et invente leur nom (« atomos » en grec qui
signifie insécable c’est-à-dire « incassable »).
Aristote (philosophe grec) conteste cette existence et son prestige est tel qu’il faut attendre le début du XIXème siècle pour que cette
idée reprenne vie.
En 1805, John Dalton annonce au monde l’existence des atomes.
En 1881, J. J. Thomson découvre l’un des composants de l’atome. Il s’agit de particules élémentaires négatives appelées en 1891
électrons.
Au début du XXème siècle, l’ambition des physiciens est de proposer un modèle de l’atome en précisant la répartition de la charge
électrique à l’intérieur de celui-ci.
En 1904, Thomson partant de l’idée que l’atome est électriquement neutre, pense qu’il doit contenir des charges positives qui
doivent compenser les charges négatives des électrons. Il suppose que la charge positive est répartie dans un petit volume (qui peut
avoir la forme d’une sphère) et qu’elle est parsemée d’électrons (pudding de Thomson).
En 1910 Rutherford bombarde différents échantillons de matière (cuivre, or, argent) avec des particules et il déduit de son
expérience que la charge positive doit occuper un tout petit volume qu’il appelle « noyau ». Après « un petit calcul » il trouve que
la majorité de la masse de l’atome est concentrée dans un noyau minuscule. Les dimensions du noyau sont de l’ordre de 10-15m
(100 000 fois moins que les dimensions de l’atome) et sa charge totale est un multiple entier de la charge de l’électron (au signe
près).
Animation 1 : Expérience de Rutherford http://www.educationnumeriquepourtous.com/new/ressources/Ressources/flash_resources/edu_2.swf
Rutherford pense alors au modèle planétaire pour décrire un atome. En effet la masse du système solaire est essentiellement
concentrée dans le Soleil tout comme celle de l’atome est concentrée dans le noyau. Il propose donc comme modèle un tout petit
noyau chargé positivement et comportant l’essentiel de la masse de l’atome, autour duquel les électrons décrivent des orbites.

2
Depuis, d’autres modèles plus complexes ont permis d’expliquer de nombreux autres phénomènes. Le modèle actuel de l’atome est
l’aboutissement d’une longue histoire au cours de laquelle les représentations qu’on s’en fait ont profondément évolué.
Nous retiendrons pour la classe de troisième un modèle simple constitué d’un noyau autour duquel gravitent des électrons qui
forment un nuage électronique.
Texte construit à partir de Sciences et Avenir de décembre 1994, Sciences et Vie Junior d’octobre 1998, Electrons et Atomes
(Thèmes Vuibert) et des documents d’accompagnement.
Animation 2 : bilan modèle de l’atome : http://a.bougaud.free.fr/swf/2_phch_atom_modelsatome.swf
Questions :
1 - Parmi les différents savants qui ont participé à l’élaboration du modèle atomique, relever ceux qui sont cités dans le texte depuis
le début du XIXème siècle.
2- Ecrire le nom du scientifique qui a élaboré chaque modèle.
3- Le modèle de J. J. Thomson.
 Quel est le constituant de l’atome découvert par J. J. Thomson ?
 Cette particule porte-t-elle une charge électrique ?
 Les atomes sont-ils « insécables » comme le pensait Démocrite ?
4 - Le modèle de Rutherford.
 Que trouve Rutherford après « un petit calcul » concernant :
- la masse de l’atome comparée à celle du noyau ?
- les dimensions de l’atome comparées à celle du noyau ?
 Pourquoi peut-on dire que la matière est constituée « essentiellement de vide » ? (Utiliser les réponses précédentes).
Rem : si on enlevait le vide de tous les atomes de la Terre, celle-ci tiendrait dans une sphère de 150 m de rayon (c’est d’ailleurs, à
peu près, l’état dans le quel se trouve la matière dans des étoiles dites étoiles à neutrons) !

3
5- Le modèle actuel
Aujourd’hui, de nouvelles découvertes ont amené à établir un nouveau modèle de
l’atome (voir schéma ci-dessous). L’atome est constitué d’un noyau central
chargé positivement autour duquel bougent des électrons chargés négativement.
Ces électrons constituent le cortège électronique. On a découvert que le noyau
contenait d’autres particules appelées protons et neutrons, et que l’on ne peut
prédire avec certitude si un électron se trouve sur l’une ou l’autre des orbites.
L’atome devient flou ou du moins sa description en termes qui nous soient
familiers ! Dans le modèle représenté ci-dessous, plus les points sont rapprochés,
plus il est probable de trouver un électron dans cette zone.
Rem : pourquoi le modèle de Rutherford est-il inexact ? Rutherford pensait que
les électrons tournaient sur des orbites. Or, on a déterminé ensuite qu’ils se
déplacent au hasard. Donc, il est impossible de dire précisément où se trouve un
électron dans un atome.
Conclusion sur le modèle atomique
Au cours du XXème siècle, les connaissances autour de l’atome ont considérablement évoluées. La découverte de l’électron, puis
plus tard du noyau, puis encore plus tard des protons et des neutrons ont bouleversé les théories de l’époque inchangées depuis la
Grèce Antique.
Pourquoi un modèle ?
Il est nécessaire d’élaborer un modèle pour pouvoir expliquer les différents phénomènes et en prévoir les conséquences. Celles-ci,
soumises à l’expérience, permettent de valider le modèle, de l’améliorer ou de le rejeter.
Ainsi, le modèle de l’atome a beaucoup évolué depuis plus de 2500 ans et les premières idées de Démocrite. Il a évolué au fur et à
mesure de l’apparition de phénomènes inexplicables par le modèle précédent.
Pour expliquer un phénomène on n’a pas besoin d’utiliser le modèle le plus complexe, mais il faut en connaître les limites.
3) Les différentes particules de l’atome
L’atome est constitué d’un ………………………………… et d’ ………………………………… en mouvement autour.
a) Le noyau atomique
a.1 Les nucléons
Le noyau contient des particules appelées ………………………. : ce sont les ……………….……… et les …………..…………
 Le proton est une particule chargée portant une charge électrique ……………………………. égale à la charge électrique
élémentaire (notée + e).
 Le neutron est électriquement ……………………………
 Le neutron et le proton ont sensiblement la ………………………… masse égale à l’unité de masse atomique (notée u).
Rem1 : la charge électrique élémentaire correspond à la plus petite charge existant dans l’univers ; elle vaut : 1 e = 1,6.10-19 C
(C = Coulomb, unité des charges électriques).
Rem2 : l’unité de masse atomique vaut : 1 u = 1,67.10-27 kg ; c’est l’unité « naturelle » des atomes.
A retenir :
particules
symbole
charge électrique
masse
proton
neutron

4
a.2 Les nombres Z et A
Le noyau d’un atome donné contient un nombre bien précis de
protons et de neutrons.
Exo 1 : un noyau d’atome d’Aluminium (Al) contient ………
protons et ……….. neutrons.
 Le nombre total de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau est appelé ………………………………………………….
et est noté ……………..
 Le nombre total de protons dans le noyau est appelé …………………………………………………. ou
……………………………………………. et est noté ……………..
Exo 2 : pour un noyau d’atome d’aluminium, Z = …………………. et A = …………………………………
Rem : On note N le nombre de neutrons dans le noyau, alors :
A = ………………………
Exo 3 : pour un noyau d’atome de cuivre (Cu), Z = 29 et A = 63. Donner la composition de ce noyau.
a.3 Représentation du noyau
On représente le noyau d’un élément chimique (atome) de symbole X sous forme symbolique :
Exo 4 : donner les représentations symboliques des noyaux d’atomes de cuivre et d’aluminium :
b) Le cortège électronique
L’ensemble des électrons forment le ……………………………………………………………. ; Ils sont en mouvement
incessant et rapide autour du noyau.
 L’électron est une particule chargée portant une charge électrique ……………………………. égale à l’opposée de la
charge électrique élémentaire.
 La masse d’un électron est environ …………………… fois plus petite que celle d’un nucléon.
A retenir :
particule
symbole
charge électrique
masse
électron

5
c) L’édifice atomique
c.1 Neutralité électrique
Exo 5 : l’atome d’aluminium est électriquement neutre, c’est-à-dire qu’il contient autant de charges positives dans son noyau que de
charges négatives dans son nuage électronique. Combien doit-il posséder d’électrons pour respecter cette neutralité globale ?
Ce résultat est général :
Un atome est électriquement ………………………… : Il possède donc ………………… d’électrons que de ……………….....
c.2 Masse de l’atome
Exemple : la masse d’un atome de carbone est de 2.10 – 23 g. C’est très très petit ! Une mine de critérium de 2 mg de carbone
contiennent donc 0,002 / (2.10 – 23) = 1020 atomes de carbone. Si on dispose ces 1020 atomes à la suite les uns des autres on obtient
une chaîne de 1,8.1010 m, soit 18 millions de km soit plus de 47 fois la distance de la terre à la lune !
La masse d’un électron étant négligeable par rapport à celle d’un nucléon, on peut considérer que la masse du cortège électronique
est négligeable par rapport à celle du noyau.
Toute la masse d’un atome est quasiment concentrée dans son ……………………………
c.3 Dimension de l’atome
Exemple 1 : la taille d’un atome est d’environ 10 – 10 mètre (0,000 000 000 1 m soit 10 000 fois plus petit qu’un mm). C’est encore
très très petit ! Traçons un trait avec une mine de crayon (constituée de carbone) de 0,5 mm d’épaisseur. Le nombre d’atomes de
carbone contenus dans la largeur du trait est alors d’environ 3 millions !
Exemple 2 : si les atomes d’une pomme étaient grands comme une balle de tennis, la pomme entière serait grosse comme la Terre !
c.4 Le vide atomique
On entend souvent dire que la matière est « constituée de vide » ; qu’est-ce que cela signifie ?
Le rayon du noyau est environ …………………… fois plus petit que le rayon total de l’atome.
Exo 6 : En représentant le noyau par une balle de ping-pong de 1,5 cm de rayon, calculer le rayon total de l’atome.
4) Notion d’isotopie
La forme symbolique la plus courante du carbone est 126C, donner la constitution de son noyau :
Mais il existe aussi du « carbone 14 » dont la représentation symbolique est 146C, donner la constitution de son noyau :