expériences faites à l`Université de Montréal. Il

REPRESENTATION DE L’ATOME DES GRECS JUSQU’A NOS JOURS…
Dans le tableau ci-dessous, on retrouve la description de l’atome au cours des siècles.
Associe, en traçant un trait avec une règle, chaque description au schéma qui lui convient le mieux.
Jusqu’au Ve siècle avant J.C., les philosophes grecs anciens
considéraient que la matière était constituée d’un savant
mélange de quatre éléments :
•
IVe siècle avant J.C. : Démocrite (460-370av.J.C.),
philosophe grec, pense que la matière est constituée de
grains indivisibles (atomos, en grec), les atomes. Pour lui
les atomes sont tous pleins, mais ne sont pas tous
semblables : Ils sont ronds ou crochus, lisses ou rugueux ;
ils s’assemblent pour former les objets qui nous
entourent. Le philosophe grec, Aristote (384-322av.J.C.)
rejette cette théorie et reprend l’idée des quatre
éléments : C’est sur cette fausse conception que vont
reposer les travaux des alchimistes pendant plus de vingt
siècles.
•
1805 : Dalton, physiciens britannique (1766-1844),
suppose l’existence des atomes et suppose qu’il en existe
plusieurs types, qui permettent d’expliquer les propriétés
de la matière.
•
1902 : Suite à la découverte de l’existence des
électrons en 1895 par le Britannique Crookes, Thomson
(1856-1940), physicien britannique propose un modèle de
l’atome appelé le « pudding aux électrons » : L’atome est
une boule électriquement neutre remplie d’une substance
chargée positivement et d’électrons chargés
négativement.
•
1909 : Rutherford, physicien britannique (1871-1937),
propose un modèle planétaire de l’atome grâce à des
expériences faites à l'Université de Montréal. Il
compare l’atome au système solaire : l’atome est constitué
d’un noyau, autour duquel gravitent les électrons. Le noyau
est environ 105 fois plus petit que l’atome, donc l’atome
est essentiellement constitué de vide.
•
1913 : Modèle de Bohr (1885-1962) : Les électrons
tournent autour de l’atome selon des orbites de rayon
défini, pas tous identique, et pas toutes contenues dans le
même plan.
•
Le modèle probabiliste le modèle actuel :
Les physiciens du 20e siècle ont admis que la notion
d’orbite n’a plus de sens pour un électron dans un atome :
les électrons tournent autour de l’atome de façon
aléatoire et désordonnée : on parle « de chance de
trouver l’électron à une distance donné du noyau.
La Terre ; l’eau, l’air et le feu
QUESTIONS
1) Comment expliquait-on la « nature des choses » au Vème siècle avant J.C. ?
2) D’après Démocrite, comment était constituée la matière ? Comment les décrivait-il ? Comment les classaitil ?
3) Le philosophe grec Démocrite parlait d’atomes (1) crochus. Expliquer pourquoi. Représenter son modèle
atomique.
4) Pourquoi la théorie des atomes est-elle restée si longtemps en sommeil ?
5) Existe-t-il une différence fondamentale entre la théorie de Démocrite et celle de Dalton ? Représenter son
modèle atomique.
6) Comment Dalton représente-t-il symboliquement chaque atome ? Utilisons-nous la même représentation
aujourd’hui ?
7) Quel est le nom de la particule mise en évidence par J. J. Thomson ? Quelle est sa charge ?
8) Si l’on considère que, dans un tube de Crookes, des particules sont extraites des atomes et que l’atome est
électriquement neutre, que pouvez-vous déduire ?
9) Quelle est la différence fondamentale entre le modèle atomique de Thomson et la vision de l’atome qu’avait
Démocrite ?
L’EXPERIENCE DE RUTHERFORD
En 1909, le physicien britannique Ernest Rutherford (1871-1937) réalise une expérience décisive pour la
connaissance de la structure de l’atome. Quelques années auparavant, son compatriote Joseph John Thomson
(1856-1940) a proposé un modèle (2), dans lequel il compare l’atome à une boule de matière de charge
positive, « piquée » d’électrons, particule de charge négative . Dans un matériau solide comme l’or, ces
sphères seraient empilées de façon à occuper un volume minimal.
Rutherford vient juste de montrer que les particules α émises par certaines sources radioactives sont des ions
He2+ (atomes d’hélium ayant perdu deux électrons). Lors de son expérience, il bombarde une feuille d’or de
très faible épaisseur (0,6 µm) par des particules α émises par une source de radium. Les tâches qui
apparaissent sur un écran fluorescent lui permettent de connaître la trajectoire suivie par les particules
Rutherford constate alors que la grande majorité d’entre elles traversent la feuille sans être déviée, la tâche
lumineuse principale observée sur l’écran garde en effet la même intensité avec ou sans feuille d’or. Quelques
impacts excentrés montrent que seules quelques unes sont déviées. D’autres (1 sur 20000 ou 30000) semblent
renvoyées vers l’arrière.
En 1911, après une longue réflexion, Rutherford propose un nouveau modèle, dans lequel l’atome est
constitué d’un noyau chargé positivement, autour duquel des électrons chargés négativement, sont en
mouvement et restent à l’intérieur d’une sphère. Le noyau est 104 à 105 fois plus petit que l’atome et concentre
l’essentielle de sa masse.
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On propose d’abord une analogie macroscopique : une balle de tennis heurtant une balle de ping-pong
est-elle déviée ? Même question si elle heurte une boule de pétanque ? Justifier vos réponses.
Les particules α sont constituées de deux neutrons et de deux protons. Déterminer leur masse et leur
charge. Quel est le rapport de la masse d’une particule α à celle d’un électron ? (Voir le tableau 1 pour
les données utiles)
Déterminer la masse des noyaux d’or dont le symbole est (3). Quel est le rapport de la masse d’une
particule α à celle d’un atome d’or ?
En utilisant l’analogie macroscopique précédente, préciser les particules sur lesquels ricochent les
particules α lors de la traversée de la feuille d’or.
Combien faut-il de couches d’atomes d’or, empilées les unes sur les autres, pour obtenir une feuille
d’or de 0,6 µm d’épaisseur ?
Si les atomes étaient conformes au modèle de Thomson (sphères pleines et jointives), est-il probable
que la grande majorité des particules α traversent la feuille d’or sans être déviées ?
En quoi la structure proposée par Rutherford permet-elle d’expliquer le résultat de son expérience ?
Montrer que les données actuelles concernant l’atome d’or confirment les hypothèses de Rutherford
quant à la taille et à la masse de son noyau (voir le tableau 2).
Quelle est l’action exercée par une charge électrique positive sur une autre charge positive ? En
déduire les arguments que l’on pourrait avancer pour expliquer la déviation et le renvoi vers l’arrière
de quelques particules α.
Représenter sur un schéma un atome d’or conforme au modèle de Rutherford. Placer sur le schéma les
différentes trajectoires possibles pour les particules α.
Tableau 1
proton (p)
neutron (n)
électron (e)
Tableau 2
Atome d’or
Noyau de l’atome
d’or
Masse
(kg)
1,673.10-27
1,675.10-27
9,109.10-31
Masse (kg)
3,299.10-25
3,298.10-25
Charge
+e
0
-e
Rayon (pm)
1,44.102
7.10-3
Notes : (1) Du grec atomos : indivisible, insécable.
(2)
Un modèle est une représentation simple d’un phénomène ou d’un objet complexe.
(3)
Soit un élément chimique de symbole chimique X, on le note où A est appelé le nombre de masse et
correspond au nombre de nucléons (4) et Z est appelé numéro atomique (ou nombre de charge) et correspond
au nombre de protons.
(4)
On appelle nucléon les particules du noyau (nucleus en latin) atomique : ce sont les protons et les neutrons.
(5)
e est la charge électrique élémentaire. e = 1,6.10-19 C
LA STRUCTURE DE L’ATOME
Etude d’un texte de Georges CHARPAK
« Lorsque j'entrai au laboratoire dirigé par Joliot 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 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 sur la
périphérie, se trouve un cortège qui est fait de particules de charge électrique négative, 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 de « La vie à fil tendu »
Question 1 : Recopier et compléter le tableau suivant :
Particules citées dans le texte
Où les trouve-t-on (noyau ?
atome,)
Quelle est leur charge électrique ?
Question 2 : Recopier et compléter le tableau et répondre aux questions suivantes :
Quelle est la taille approximative d’un
atome (exprimée en mètre)?
Quelle est la taille approximative d’un
noyau (exprimé en mètre) ?
Comparer la masse d’un nucléon ( proton
ou neutron ) à celle d’un électron
Que peut-on en conclure quant à la
répartition de la masse dans les atomes
De quoi est constitué l’atome
d’hydrogène ?
Question 2:
Recopier et compléter le texte suivant avec les mots :
électrons
lacunaire
neutres
négligeable
positive
égal
Un atome est constitué d'une partie centrale : le
particules : les
neutres
noyau
nucléons
petit
négative
autour duquel gravitent des
Le noyau d'un atome est constitué de particules appelées «
Il existe deux sortes de nucléons :
- les protons qui ont une charge électrique
- les neutrons qui n’ont pas de charge électrique : on dit qu’ils sont
Les électrons ont une charge électrique
».
.
Les atomes sont électriquement
donc le nombre d'électrons est
au nombre de protons
La masse d’un électron est
par rapport à la masse d’un nucléon donc la masse d’un
atome est essentiellement concentrée dans son noyau.
Le diamètre d’un noyau est environ 100 000 fois plus
que le diamètre d’un atome :
La matière est surtout constituée de vide. On dit qu’elle a une structure
Q C M sur la structure atomique
1. Quelle était la théorie du philosophe grec Démocrite au sujet de la matière?
a) Il pensait que l'eau était l'élément fondamental de l'Univers.
b) Il pensait que la matière était constituée de particules immobiles et identiques par leurs formes et leurs
dimensions.
c) Il pensait que la matière était discontinue, constituée de particucles invisibles et indivisibles.
d) Il pensait que la matière était continue et réunie.
2. Quelle était la théorie du philosophe grec Aristote au sujet de la matière?
a) Il pensait que l'eau était l'élément fondamental de l'Univers.
b) Il pensait que la matière était constituée de particules immobiles et identiques par leurs formes et leurs
dimensions.
c) Il pensait que la matière était discontinue, constituée de particules invisibles et indivisibles.
d) Il pensait que la matière était continue, donc dépourvue de vide.
3. Quelle théorie (celle de Démocrite ou celle d'Aristote) est la plus rapprochée de la théorie atomique moderne?
a) La théorie d'Aristote
b) La théorie de Démocrite
c) Les deux théories se valent et sont assez loin de la conception moderne.
d) Les deux théories se valent et sont assez près de la conception moderne.
4. Pourquoi faut-il utiliser un modèle pour représenter la structure de la matière?
a) Parce que les atomes sont trop petits pour être vus à l'oeil nu.
b) Parce que le mouvement des atomes est trop rapide.
c) Parce qu'il y a trop de sortes d'atomes différents.
d) Parce que les changements chimiques modifient les propriétés de la matière.
5. Quel est le point commun entre le modèle de Démocrite et celui de Dalton?
a) Dans les composés, les atomes se combinent en nombres entiers.
b) La matière est constituée d'atomes indivisibles.
c) Les atomes d'un même élément sont différents.
d) Les atomes sont différents par leurs formes et leurs dimensions.
6. Comment appelle-t-on la sorte d'électricité obtenue par frottement?
a) L'électricité magnétique
b) L'électricité dynamique
c) L'électricité statique
d) L'électricité atmosphérique
7. Les rayons cathodiques sont faits...
a) ... de lumière.
b) ... de particules neutres.
c) ... de particules chargées positivement.
d) ... de particules chargées négativement.
8. Watson reprend du service! L'individu recherché habite l'atome. Il est domicilié au «Noyau Atomique Hotel». Il est
atteint de positivisme aigu. Identifiez-le.
a) Anion
b) Proton
c) Électron
d) Rayon cathodique
9. En tenant compte des nouvelles particules trouvées grâce au tube cathodique, identifiez qui est l'auteur du modèle
du «Plum-Pudding» (théorie voulant que l'atome soit une sphère positive dans laquelle sont incrustés des électrons,
particules négatives).
a) Pierre Curie
b) James Chadwick
c) J. J. Thomson
d) Ernest Rutherford
10. Pour vous Watson! En vous servant des quatre «portraits-robots» de modèle atomique, pourrez-vous identifier le
modèle de Rutherford?
a)
b)
c)
d)
Schéma A
Schéma B
Schéma C
Schéma D
11. Quelles sont les trois sortes de radiations qui proviennent des
substances radioactives?
a) Les particules alpha, les particules bêta, les rayons gamma.
b) Les rayons alpha, les protons, les neutrons.
c) Les rayons bêta, les noyaux, les électrons.
d) Les rayons gamma, les réactifs, les particules bêta.
12. On doit identifier une particule résidant dans l'atome. Nous savons que cette dernière ne possède aucune charge.
Saurez-vous l'identifier Watson?
a) Neutron
b) Proton
c) Électron
d) Anion
13. Cher M. Atomix, je souffre d'amnésie. Sur ma fiche d'identité, il est écrit que je fais partie du monde de l'atome et
que j'occupe la profession d'astronaute. En effet, on m'a retrouvé en orbite autour de l'atome. Pouvez-vous m'aider à
retrouver mon identité?
a) Vous êtes Neutron.
b) Vous êtes Proton.
c) Vous êtes Électron.
d) Vous êtes Anion.
14. Un atome neutre possédant 12 protons et 12 neutrons...
a) ...peut avoir entre 8 et 12 électrons.
b) ...doit avoir exactement 12 électrons.
c) ...peut avoir entre 16 et 24 électrons.
d) ...doit avoir exactement 24 électrons.
15. Quelle découverte a été faite en partie grâce à des expériences qui eurent lieu à l'Université McGill de Montréal
(Québec)?
a) La découverte de l'atome
b) La découverte de l'électron
c) La découverte du noyau
d) La découverte du neutron