2) Constitution de la matière

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DF Chimie Corrigé des exercices
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Charge et particules élémentaires
1
Expliquer comment Rutherford voulait mesurer le diamètre des atomes. Quelle matière a-
t-il utilisé ? A-t-il pu mesurer le diamètre des atomes de cette matière ? Quelle a été sa
véritable découverte ?
Réponses :
Rutherford a utilisé une feuille d'or pour ses expérience.
Son but était de mesurer le diamètre des atomes d'or. Il pensait que l'empilement des
atomes ressemblait à la figure ci-dessous. Il pensait qu'en mesurant le taux de
rayonnement qui traverserait la feuille (flèches noires), il pourrait en déduire le diamètre
des atomes :
Lorsqu'il a fait son expérience, Rutherford eu la grande surprise que la quasi totalité du
rayonnement traversait la feuille d'or, comme si les atomes n'existaient pas (flèches
noires). Puis, de temps en temps, une particule α heurtait quelque chose de très petit et
de très dur au centre des atomes (flèches vertes et rouges). Le schéma ci-dessous tient
compte également du fait que les atomes d'or sont en réalité empilés en quinconce :
Rutherford n'a ainsi pas pu mesurer le diamètres des atomes d'or. Sa véritable découverte
a été l'existence du noyau atomique, de taille extrêmement petite.

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2
Combien de sortes de charges électriques existe-t-il ? Comment les nomme-t-on ?
Réponses :
Il existe 2 sortes de charges électriques. Il s'agit des charges positives et négatives.
3
Qu'entend-on par charge élémentaire ?
Réponse :
Il s'agit de la plus petite charge possible non divisible.
4
Quel est le symbole de la charge élémentaire ? Et sa valeur en coulombs ?
Réponse :
Le symbole de la charge élémentaire est e.
e = 1,6022.10-19 C.
5
Décrivez en termes simples et à l'aide d'un schéma comment Millikan s'y est pris pour
mesurer la charge élémentaire.
Réponse :
Millikan a utilisé un brouillard d'huile
qu'il injectait à l'aide d'un pulvérisateur
dans une chambre contenant un frag-
ment de radium. Le brouillard d'huile
était ionisé par les rayonnements
radioactifs, c'est-à-dire que un ou plu-
sieurs électrons étaient arrachés aux
molécules d'huile.
Les gouttes d'huile chargées positive-
ment tombaient ensuite au travers d'un
trou dans un condensateur (2 plaques
de métal mises sous tension par un
générateur électrique). Les 2 plaques
du condensateur étaient ainsi chargées, par exemple négativement en haut et positive-
ment en bas. La plaque du haut, négative, attirait les gouttes d'huile positive et ralentissait
la vitesse de chute de la goutte entre les deux plaques.
Millikan a donc mesuré les vitesses de chute sans charge du condensateur et avec le
condensateur chargé, puis par une relation entre l'énergie cinétique (la différence de
vitesse sans et avec condensateur chargé) et l'énergie électrique (les forces
électrostatiques), Millikan a alors pu calculer la charge d'un électron.
Gouttes
d'huile
observées
Brouillard
d'huile
Pulvérisateur

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6
Quelle est la charge d'un corps formé de 20'000 particules de charge +1e et 19'960
particules de charge –1e ?
Réponse :
q = (+20 000) e + (–19 960) e = +40 e
En prenant la valeur de e = 1,6022.10-19 C, on trouve q = 6,4088.10-18 C.
7
Dans quel cas les forces électrostatiques sont-elles des forces d'attraction ? Quand sont-
elles répulsives ?
Réponses :
Les forces électrostatiques sont attractives lorsque les charges sont de signes opposés.
Les forces électrostatiques sont répulsives lorsque les charges sont de signes identiques.
8
De quoi dépend la grandeur de la force s'exerçant entre deux corps chargés ?
Réponse :
La grandeur de la force dépend du produit des charges et de l'inverse du carré de la
distance séparant les charges.
9
Comment varie la grandeur de la force s'exerçant entre deux corps chargés lorsqu'on :
a) double la valeur d'une des charges ?
b) double la distance entre ces corps ?
c) divise la distance entre ces corps par quatre ?
Réponses :
a) La force double.
b) La force diminue de 4 fois.
c) La force augmente de 16 fois.
10
Un atome d'hydrogène est constitué d'un proton de charge +1e et d'un électron de charge
–1e, gravitant autour du proton à une distance de 5,3.10-11 m. Calculez la grandeur de la
force électrostatique agissant au sein de l'atome d'hydrogène.
Réponse :
€
F
e = Ko
q
1⋅q2
d2 = 9⋅1091,6022⋅10−19 ⋅1,6022⋅10−19
5,3⋅10−11
( )
2 = 8,22⋅10−8 N

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11
Soit les 2 systèmes a) et b) avec des particules chargées :
q1 = +1e
q2 = +2e
q1 = +2e
q2 = +3e
r = 1 nm
r = 2 nm
a)
b)
Dans quel cas les forces de répulsion sont-elles les plus grandes ? Justifier la réponse.
Réponse :
Calculons la force électrostatique de chaque système :
a)
€
F
e = Ko
q
1⋅q2
d2 = 9⋅1091,6022⋅10−19
( )
2⋅1,6022 ⋅10−19
( )
1⋅10−9
( )
2 = 4,62 ⋅10−10 N
b)
€
F
e = Ko
q
1⋅q2
d2 = 9⋅1092⋅1,6022⋅10−19
( )
3⋅1,6022⋅10−19
( )
2⋅10−9
( )
2 = 3,47 ⋅10−10 N
Conclusion : le système a) possède la force de répulsion la plus grande.
Le calcul peut se faire de façon plus simple. Puisqu'on compare deux systèmes, seules
les proportions entre les 2 forces nous intéressent. On peut donc éliminer la constante Ko
dans les deux systèmes. On peut également garder la charge en unité de charge
élémentaire e et la distance en nanomètres. Cela donne les calculs suivants :
a)
€
"
F
e = q
1⋅q2
d2 = 1⋅2 1
2 = 2
e2/nm2
b)
€
"
F
e = q
1⋅q2
d2 = 2⋅3 22 = 1,5
e2/nm2
Dans ce cas, la conclusion saute au yeux ! C'est le système a) qui possède la force de
répulsion la plus grande.

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12
Soit les 2 systèmes a) et b) avec des particules chargées :
q1 = +1e
q2 = +1e
q1 = +3e
q2 = +2e
r = 1 nm
r = 2 nm
a)
b)
Dans quel cas les forces de répulsion sont-elles les plus grandes ? Justifier la réponse.
Réponse :
Calculons la force électrostatique de chaque système :
a)
€
F
e = Ko
q
1⋅q2
d2 = 9⋅1091,6022⋅10−19
( )
1,6022⋅10−19
( )
1⋅10−9
( )
2 = 2,31⋅10−10 N
b)
€
F
e = Ko
q
1⋅q2
d2 = 9⋅1093⋅1,6022⋅10−19
( )
2⋅1,6022⋅10−19
( )
2⋅10−9
( )
2 = 3,47 ⋅10−10 N
Avec les simplifications vue à l'exercice 11, on trouve :
a)
€
"
F
e = q
1⋅q2
d2 = 1⋅1 1
2 = 1
e2/nm2
b)
€
"
F
e = q
1⋅q2
d2 = 3⋅2 22 = 1,5
e2/nm2
Les deux calculs nous montrent que c'est le système b) qui possède la force de répulsion
la plus grande.
13
Combien de sortes de particules élémentaires forment-elles les atomes ? Nommez ces
particules.
Réponse :
Les atomes sont formés de 3 particules élémentaires : le proton, le neutron et l'électron.
14
Que signifie 1 u ? Que vaut 1 u en grammes ?
Réponse :
Cela signifie unité de masse atomique. 1 u = 1,660.10-24 g.