Fiche professeur Activité classe de seconde THEME : L`Univers

Fiche professeur
Activité classe de seconde
THEME : L'Univers.
Partie : Les éléments chimiques présents dans l'Univers
De la masse atomique au numéro atomique : la loi de Moseley
Type d’activité : - Activité documentaire + modélisation (utilisation tableur-grapheur)
- Activité de cours ou à faire à la maison.
Pré- requis : Structure de l'atome, classification des éléments chimiques, raies spectrales
des éléments chimiques.
Notions et contenus :
Compétences spécifiques à cette activité :
Modéliser la relation entre le numéro atomique d'un élément chimique et la longueur
d'onde d'une raie spectrale dans le domaine X.
Compétences du programme :
- mise en perspective historique
- mobiliser ses connaissances
- rechercher, extraire, organiser des informations utiles
- usage adapté des TIC
Durée : 30 à 40 minutes
Mots clés : numéro atomique, classification des éléments, spectroscopie X.
Provenance : Académie de Limoges

Activité documentaire et de modélisation (classe de seconde)
De la masse atomique au numéro atomique : la loi de Moseley
Texte :
Le besoin de classement des objets de la nature est un souci constant en sciences
qu'elles soient de la Vie et de la Terre ou physique-chimique. La volonté de mettre de
l'ordre dans les éléments chimiques dont une grande part a été découverte au cours du
19ème siècle a conduit Dimitri Mendeleïev (1834-1907) a établir une classification plus
satisfaisante que les précédentes tentatives. Son travail aboutit à classer les éléments
connus à son époque dans un tableau par masse atomique croissante et de rassembler
ceux qui ont des propriétés chimiques communes dans une même colonne. L'intérêt de
son travail réside dans les cases vides prévues pour des éléments non encore découverts
dont on peut prévoir les propriétés chimiques. Cependant, son tableau révèle quelques
irrégularités. Par exemple le tellure, élément de masse atomique 127,6, est placé après
l'iode de masse atomique 126,9. Or l'iode a les même propriétés chimiques que les
éléments de l'avant dernière colonne et devrait donc occuper la place du tellure qui n'a pas
ces propriétés ! Certains se demandent même s'il n'existe pas des éléments qui viendrait
s'intercaler entre les colonnes du tableau. Par exemple, entre l'azote de masse atomique
14 et l'oxygène de masse atomique 16, pourquoi n'existerait-il pas un élément de masse
atomique 15 ?
Ce sont les travaux sur la structure de l'atome au début du 20ème siècle qui permettront
de répondre à ces questions. Entre autres, le travail de Henry Moseley (1887-1915) a
montré en 1913 l'importance du nombre de charges positives dans le noyau de l'atome sur
sa place dans la classification. C'est à lui que l'on doit le classement moderne des
éléments basés sur le numéro atomique des atomes.
Signalons le destin tragique de ce jeune scientifique qui s'était engagé dans l'armée
britannique au début de la première guerre mondiale alors que son statut de chercheur
l'en dispensait et qui sera tué à 27 ans lors de la bataille de Gallipoli en 1915. S'il avait
vécu, sa découverte lui aurait certainement valu un prix Nobel.
H. Moseley a étudié le spectre des
éléments chimiques dans le domaine
des rayons X. Les raies présentes
dans ces spectres (document ci-
contre) sont produites par des
électrons venant remplacer ceux des
couches internes K et L des atomes,
expulsés par collision avec des
électrons ou des rayons X.
L'espacement des raies des éléments
chimiques de numéro atomique
croissant lui a permis d'établir une
relation entre la fréquence de la raie et
le numéro atomique de l'élément
émetteur de cette raie.
Photographie du spectre X de quelques éléments
chimiques (Source : Wikipédia).
Nous proposons dans la suite de retrouver cette relation et montrer que la nature des
éléments chimiques dépend uniquement du numéro atomique.

Les tableaux ci-dessous rassemblent les longueurs d'onde des raies Kα (transition
d'électrons vers la couche K de l'atome) de quelques éléments chimiques (extrait de
l'article original de H. Moseley : http://www.chemistry.co.nz/henry_moseley_article.htm)
Elément
Al
Si
Cl
K
Ca
Ti
Va
Z
13
14
17
19
20
22
23
λ (x10-10 m)
8,364
7,142
4,750
3,759
3,368
2,758
2,519
ν(x1018 Hz)
Elément
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Z
24
25
26
27
28
29
30
λ (x10-10 m)
2,301
2,111
1,946
1,798
1,662
1,549
1,445
ν(x1018 Hz)
Questions sur le texte
1°) En quelle unité est exprimée la grandeur appelée masse atomique dans la
classification actuelle ?
2°) Quel est le nom de la famille chimique à laquelle appartient l'iode ?
3°) Rappeler brièvement la structure de l'atome et la signification du numéro atomique Z.
Relation entre fréquence et numéro atomique
1°) En utilisant la relation
ν=c
λ
avec c = 3.108 m.s-1 , calculer la fréquence
ν
de chaque
raie des tableaux.
2°) En utilisant un tableur grapheur, construire le graphe donnant le numéro atomique Z en
fonction de la fréquence
ν
: Z = f(
ν
). Peut-on modéliser le graphe par une droite ? Si
non, essayer un ajustement avec une parabole.
3°) Pour obtenir une représentation graphique sous forme de droite, on représente Z en
fonction de la racine carrée de la fréquence : Z = f(
√
ν
). Montrer que cette nouvelle
fonction peut s'ajuster par une droite. Relever l'équation de la droite donnée par la tableur.
4°) La relation donnée par H. Moseley entre Z et
√
ν
est Z-1 =
√
ν
3
4ν0
avec
ν0
= 3,29.1015
Hz. Soit Z = 1+ 2,01.10-8 x
√
ν
. Monter que l'ajustement linéaire précédent donné par le
tableur grapheur est en accord avec cette relation.
5°) En utilisant l'équation de la droite Z = f(
√
ν
), calculer
√
ν
pour les éléments de numéro
atomique Z= 15, 16 et 21 et reporter les points correspondants sur le graphe.
Importance du numéro atomique dans la classification des éléments chimiques
1°) Compte-tenu de la répartition des points du graphe Z = f(
√
ν
), discuter de la possibilité
d'y intercaler des éléments chimiques inconnus.
2°) Conclure sur l'importance du numéro atomique dans le classement des éléments
chimiques.