L1pcsm s1 16 17 - Cours de Chimie en 1ère année

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UNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP DE DAKAR
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES Année 2016-2017
DEPARTEMENT DE CHIMIE
L1PCSM - T D CHIMIE ATOMISTIQUE - SERIE N°1
Exercice 1 Expérience de J.J. Thomson Sir Joseph John Thomson (prix Nobel de physique en 1906)
mesura, le premier, la charge massique (e/m) de l'électron (e est la charge élémentaire, m la masse de
l'électron). On se propose de mesurer, à l'aide d'un dispositif expérimental, cette charge massique de
l’électron.
Un canon à électrons: Les électrons émis par un filament (F) chauffé sont accélérés par une tension
électrique positive U0 appliquée entre l’anode (A) et le filament U0 = UAF. L’anode, percée d’une fente,
permet le passage des électrons.
Un écran de mica recouvert d’une substance fluorescente ; cet écran, tangent au pinceau d’électrons,
permet d’en matérialiser la trajectoire
Un condensateur plan Deux plaques métalliques (P1) et (P2) planes, horizontales, distantes de d, sont
reliées à l’extérieur du tube par deux bornes de connexion
Deux bobines de Helmholtz Le tube est placé entre deux bobines de Helmholtz verticales. Ce sont deux
bobines plates identiques, coaxiales, séparées d’une distance égale à leur rayon et parcourues par des
courants de même intensité et de même sens. Le champ
B
, sensiblement uniforme entre les bobines, a une
intensité B = 4,3.10-3I . Il est perpendiculaire au plan de figure. (I est l’intensité du courant dans les
bobines, exprimée en ampère, B s'exprime en tesla).
1. Exprimer la vitesse V0 des électrons à la sortie de l’anode en fonction de U0, m et e ; on admet que la
vitesse des électrons émis par le filament est négligeable.
2. Préciser la nature du mouvement des électrons au-delà de l’anode, en l’absence de courant dans les
bobines et de tension appliquée aux bornes du condensateur P1P2.
3. On applique une tension positive U1 = UP1P2 entre les plaques du condensateur plan. On admet que le
champ électrique
E
est uniforme entre les plaques. Préciser, sans faire d'application numérique, les
caractéristiques de ce champ
E
.
4. Les bobines de Helmholtz sont parcourues par un courant d’intensité I. On règle l’intensité I du courant
et la tension U1 pour que le faisceau d’électrons ne soit pas dévié entre les plaques.
4.1. Quelle est la nature du mouvement des électrons entre les plaques ?
4.2. Représenter sur le document 2, en justifiant:
 Les forces agissant sur l'électron
 Le champ magnétique
B
créé par les bobines de Helmholtz à l'intérieur du dispositif.
4.3. Déterminer la relation qui lie E, V0 et B.
4.4. Exprimer la charge massique en fonction de U1 ; U0 ; d et B.
Faire l’application numérique : d = 5,3 cm U0 = 1,8 kV U1 = 3,5 kV I = 0,55A
Exercice 2 Expérience de Millikan
L’expérience de Millikan est une expérience célèbre, mettant en évidence la quantification de la
charge électrique, c'est à dire le fait que toute charge libre s'exprime par le produit (Ze) d'un entier relatif Z
par la charge élémentaire e. Cette expérience a permis à son auteur, le physicien américain R.A. Millikan
(1868-1953) d'obtenir vers 1913 une assez bonne détermination de la charge élémentaire.
A°)- Décrire l’expérience de Millikan avec schéma à l’appui. Que démontre cette expérience ?
1°)- On observe la chute libre d’une fine gouttelette d’huile dans la partie supérieure du dispositif
expérimental et on mesure sa vitesse de déplacement qui vaut
0
v
= 1,5x10-3 ms-1. Calculer le rayon de la
gouttelette et en déduire sa masse.
2°)- La gouttelette arrive entre les armatures d’un condensateur distantes de 2 cm. On applique une ddp de
28493,5 volts entre ces armatures. La gouttelette s’arrête. Interpréter ce phénomène et calculer la charge
0
q
prise par la gouttelette.
3°) Brusquement la gouttelette se met en mouvement ascendant avec une vitesse
1
v
= 2,143.10-4 m s-1.
Expliquer puis calculer q1.

2
4°) On inverse les polarités des armatures du condensateur et on applique une ddp de 2.104 volts. La
gouttelette se met en mouvement descendant avec une vitesse
2
v
= 2,101.10-3 m s-1. Calculer la nouvelle
charge q2.
5°) Déduire de ces résultats la valeur probable de la charge élémentaire.
Données : =1,26x103 Kg m-3 ; =1,8x10-5 MKSA ; g=9,81 m s-2. On néglige la poussée d’Archimède.
Exercice 3: Expérience de E. Rutherford En 1909, l’expérience de Rutherford a permis de mettre en
évidence la structure de l’atome. Il utilisa une source radioactive émettant des particules  (noyaux
d’hélium) pour bombarder de très minces feuilles d’or (Schéma).
1) Décrire l’expérience de Rutherford
2) Rutherford observa que la plupart des particules α traversait les feuilles métalliques sans être déviées;
seule une très faible proportion (inférieure à 1/105 particules) subissait une déviation notable. Que peut-on
en déduire concernant la structure de l’atome ?
3) L’épaisseur des feuilles d’or était proche de 500 nm. On considère qu’une feuille est constituée d’un
empilement de plusieurs couches d’atomes. L’atome d’or est assimilé à une sphère de 300 pm de diamètre.
Quelle est le nombre de couches d’atomes d’or dans la feuille ?
4) Dans l’hypothèse d’une « collision frontale » avec le noyau d’or, établir la relation donnant la
distance minimale d’approche dm pour la particule . Faire le calcul dans le cas où les particules  ont une
vitesse initiale V0 =1,5x109 cm/s. Quelle conclusion concernant le rayon du noyau peut-on tirer d’une telle
expérience.
Exercice 4: Spectrographe de masse de Dempster
On place un élément inconnu X dans une chambre
d'ionisation. Elle produit des ions Xn+ qui sont
introduits avec une vitesse V1 nulle en P1 dans le
spectrographe de masse. La masse des ions est notée m
et n est un entier positif. e = 1,602 10-19C.
1)- Entre P1 et P2 on applique une différence de
potentiel U =UP1P2. Exprimer la vitesse V2 des ions en
P2 en fonction des paramètres cités dans le problème.
2)- En P2 ouverture très petite, les ions
pénètrent avec une vitesse horizontale dans une
région où règne un champ magnétique
B
perpendiculaire au plan de la figure. Les
particules sont détectées au point C. - Indiquer le
sens du champ magnétique. - Quelle est la
puissance instantanée de la force
électromagnétique. - Quelle est la vitesse en C?
3)- Exprimer en fonction de m, n, e, B et U, la
distance P2C.
4)- De par un protocole expérimental antérieur on sait que X est : soit l'isotope de masse molaire 59 g/mol
du nickel qui conduit à l'ion Ni2+, soit de l'aluminium (isotope de masse molaire 27 g/mol) qui conduit à
l’ion Al3+, soit du cuivre (isotope de masse molaire 63 g/mol) qui conduit à Cu2+, soit de l'argent (isotope
de masse molaire 108 g/mol) qui conduit à l’ion Ag+. Calculer numériquement les distances P2C
correspondant à chacun des quatre ions. Le champ magnétique vaut B=1 Tesla et U= 1000 Volts. - On
trouve P2C=4,95 cm. Quel est l'élément X?
Exercice 5 : Spectrographie de masse de Bainbridge - (Partiel PC1 - 1997)
1°)- Décrire les différentes parties d’un spectrographe de masse de Bainbridge.

3
2°)- Dans la chambre d’ionisation, on ionise un mélange d’isotopes du plomb et on obtient les ions
𝑃𝑏
206 +; 𝑃𝑏 207 +; 𝑃𝑏 208 + Ces ions sont accélérés par un potentiel U=2,3.104 Volt.
2a)- Calculer la vitesse de chacun de ces ions.
2b)- En réalité, le filtre est réglée pour ne laisser passer que les ions ayant comme vitesse la moyenne des
trois vitesses précédentes. Quelle valeur doit-on donner au champ électrique si nous imposons un champ
magnétique B1 =0,3 T.
3°)- Dans le déviateur magnétique, il règne un champ magnétique B2 =0,6 T. Calculer en cm OP1, OP2, OP3
(O étant le point d’entrée des ions dans le déviateur et P1, P2, P3, les différents points d’impacts des ions
𝑃𝑏
206 +; 𝑃𝑏 207 +; 𝑃𝑏 208 +.
4°)- Déterminer les valeurs limites entre lesquelles doit se trouver le potentiel accélérateur pour qu’on
observe une séparation de 2 cm entre les points d’impacts P1P2 = P2P3 = 2 cm.
Exercice 6 : Composition des noyaux
1)- Indiquez le nombre de protons, neutrons et électrons pour chaque nucléide :
Sc
45
21
,
Fe
54
26
,
Tc
99
43
,
256
26 Fe
,
C
35
17
,
224
12Mg
2)- Proposer dans chacun des cas suivants, deux atomes qui possèdent : le même numéro atomique mais
qui diffèrent par leur nombre de neutrons ; le même nombre de nucléons mais des numéros atomiques
différents ; le même nombre de neutrons mais des numéros atomiques différents ; le même nombre de
protons et le même nombre de neutrons mais qui diffèrent par leur nombre d’électrons.
3)- Compléter le tableau suivant :
Élément
Noyau
𝐻
1
1
Z
8
A
40
N
6
21
4)- Parmi les noyaux suivants indiquer les isotopes, les isobares, les isotones et les nucléides miroirs s’il y a
lieu : 𝐶
6
12 ; 𝐴𝑟
18
40 ; 𝑉
23
51 ; 𝐾
19
40 ; 𝐻
1
3; 𝐶
14 ; 𝐶𝑟
24
52 ; 𝐻𝑒
2
3. ; 𝐻
1; 𝐻𝑒 4;
5) a) Les noyaux suivants sont des nucléides artificiels 𝐶𝑙
17
33 ; 𝐴𝑟
18
35 . Quel est l’abondance isotopique d’un
nucléide artificiel dans l’élément naturel ? Pourquoi ?
5) b) Après avoir rappelé leurs définitions respectives :
- expliquer la différence entre nombre de masse et masse molaire atomique.
- dire quel est l’intérêt pratique d’introduire les notions de mole et d’unité de masse atomique dans
l’étude des atomes.
c) Montrer que la masse d’un atome exprimée en uma est numériquement égale à la masse de N
atomes exprimée en gramme.
6)- Le potassium naturel contient 3 isotopes dont la masse atomique et l’abondance sont données ci-après:
𝐾
19
39 (38,964 uma ; 93,258 %) ; 𝐾
40 (39,964 uma, 0,012 %) ; 𝐾
41 (40,962 uma ; 6,730 %)
Exercice 7 Isotopie – Spectrographe de masse
A- Le chlore (Cl) naturel est un mélange de deux isotopes 𝐶𝑙
17
35 et 𝐶𝑙
37 . La masse molaire atomique du
chlore naturel est 35,453 g/mol et celles des isotopes de 34,9688 g/mol pour 𝐶𝑙
35 et 36,9659 g/mol pour
37Cl. Donner :
II.1. Le nombre de protons, de neutrons et de nucléons de chaque isotope.
II.2. Les proportions de ces isotopes dans le chlore naturel.
B- Pour séparer ces 2 isotopes, on utilise un spectrographe de masse de type Bainbridge. Dans la chambre
d’ionisation, on forme des ions Cl2+.
II.3. Quelle doit être la vitesse des ions à la sortie du filtre de vitesses, si on veut obtenir une séparation
de leur point d’impact de 1 cm après passage dans un champ magnétique d’intensité 0,15 Tesla.
II.4. Quelle est l’intensité du champ électrique dans le filtre de vitesse, si le champ magnétique dans le
sélecteur de vitesses a une intensité de 0,2 Tesla.