Description microscopique de l`atome

Seconde_Thème 1_L’UNIVERS
chapitre 4_Description microscopique de l’atome
M.Meyniel 1/4
chapitre 4: DESCRIPTION MICROSCOPIQUE DE L’ATOME
Toute la matière que l’on trouve dans l’Univers est constituée d’atomes. Ces derniers représentent
donc l’unité structurale de la matière. Il convient alors de préciser le modèle que l’on utilise pour les décrire et
comprendre leur comportement.
a. Qu’est-ce qu’un modèle ?
b. Quand parle-t-on du niveau microscopique ?
Document 0 : Evolution du modèle de l’atome
Dès l’antiquité, la constitution de la matière a été un sujet d’étude des philosophes. Mais c’est à la fin
du XIXème siècle que le modèle de l’atome, constituant de la matière, s’est considérablement développé.
Dès 400 ans av. JC, le philosophe grec
Démocrite (460-370 av. JC) a l’intuition
que la matière est constituée de petits
« grains » indivisibles & crochus (= atomos
en grec) qu’il appelle atome. Il imagine
les atomes éternels, pleins, immuables.
Selon lui, ils ont une infinité de formes
qui permettent d’expliquer, par leur
assemblage, la diversité des matières
qui nous entourent.
Le philosophe grec Aristote (384-322
av. JC) conteste l’existence des atomes.
Pour lui, la matière est constituée de
quatre éléments : le feu, l’air, la terre et
l’eau. Son prestige est tel que l’intuition
de Démocrite est abandonnée.
En 1805, l’anglais John Dalton (1766-
1844) reprend l’hypothèse de
Démocrite. Selon lui, l’atome est une
sphère pleine de matière et pour un
élément donné, toutes les sphères sont
identiques. Son modèle permet
d’expliquer les réactions chimiques par
assemblage ou séparation des atomes
selon des proportions simples.
En 1897, Joseph John Thomson
(1856-1940) découvre l’électron et
contredit le modèle de John Dalton
proposé au début du XIXème siècle.
J.J. Thomson suggère le modèle de
l’atome dit du « plum-pudding ».
Dans un atome sphérique neutre, des
électrons seraient enclos dans cette
sphère, leur charge totale étant égale
à la charge positive de la sphère.
En 1911, Ernest Rutherford (1871 - 1937)
observe que la charge positive de l’atome
est concentrée dans un très petit volume
situé au centre de l’atome. Il contredit le
modèle de J.J. Thomson et propose un
modèle planétaire : l’atome est constitué
d’une sphère chargée positivement
parsemée d’électrons en mouvement.
L’ensemble est électriquement neutre.
En 1913, se penchant sur
l’interprétation du spectre de raies
de l’hydrogène, le physicien danois
Niels Bohr corrige le modèle
planétaire proposé par Rutherford :
l’électron de l’atome d’hydrogène
ne gravite autour du noyau que
selon des orbites circulaires
particulières, nommées couches
électroniques. Ces dernières sont
appelées K,L,M en partant de la
couche la plus proche du noyau à
celle la plus éloignée.
En 1926, Erwin Schrödinger propose un
modèle totalement novateur de l’atome.
Les électrons ne sont plus des particules
localisées mais décrits comme une onde à
l’aide de fonctions mathématiques.
L’électron peut alors être modélisé par un
« nuage électronique ».

Seconde_Thème 1_L’UNIVERS
chapitre 4_Description microscopique de l’atome
M.Meyniel 2/4
1. Comprendre le document.
a. Sur un axe horizontal représentant le temps, donner une représentation de l’atome pour les
modèles de Démocrite, Dalton et Thomson.
b. Proposer un schéma du modèle de l’atome de E. Rutherford auquel nous allons nous intéresser
cette année.
c. Comment N. Bohr appelle-t-il les orbites particulières des électrons ?
2. Recherche personnelle :
a. J.J. Thomson porte le titre de « Sir ». Pourquoi a-t-il reçu cette distinction ?
b. Les noyaux des atomes sont composés de particules de deux types. Comment appelle-t-on
l’ensemble de ces particules ? Quels sont les deux types que l’on distingue ? Pourquoi ?
3. Conclure sur l’évolution des idées scientifiques.
Dans le modèle de l’atome de E. Schrödinger, les électrons ne sont pas des particules
« localisées ». Que signifie cette affirmation ?
I. Le modèle de l’atome.
Donner une définition de l’atome d’après le modèle de Rutherford.
Document 1 : Caractéristiques nucléaires et représentation symbolique
Les deux caractéristiques fondamentales d’un noyau atomique sont sa masse et sa charge. Par conséquent, le
scientifique doit les spécifier afin de bien dénommer un noyau.
Ainsi, la masse du noyau étant due à l’ensemble des particules qui forment ce noyau, le nombre des particules
nucléaires est appelé le nombre de masse ; on lui attribue la lettre A. De même, le nombre de particules nucléaires
chargées est appelé le numéro atomique ; on lui attribue la lettre Z.
Enfin, pour simplifier l’écriture, on utilise une représentation symbolique du noyau : 
a. Comment appelle-t-on l’ensemble des particules d’un noyau ?
b. Rappeler les deux types de particules nucléaires en précisant leur différence.
c. Combien y a-t-il de particules neutres N dans le noyau d’un atome, dans un cas général ?
d. Pour un atome de cuivre, on trouve dans la littérature : Z = 29 & N = 34. Donner la composition de
son noyau et préciser sa représentation symbolique.
e. Quels sont les éléments cachés derrière ces symboles : O ; N ; C ; H ; Fe ; Cl ; Na ; He ?
f. Donner la composition du noyau d’aluminium 
 .
Rq : * La première lettre est toujours une majuscule ; s’il y en a une seconde, il s’agit d’une minuscule.
avec X = le symbole de
l’élément considéré

Seconde_Thème 1_L’UNIVERS
chapitre 4_Description microscopique de l’atome
M.Meyniel 3/4
II. Les caractéristiques de l’atome.
Document 2 : Charge électrique des particules et charge élémentaire
Les particules citées précédemment sont les éléments de base de la matière. La connaissance de leur nombre
dans un atome suffit alors à déterminer les propriétés de ce dernier et prévoir son comportement.
Les électrons et les protons sont aussi nombreux dans un atome isolé et ils présentent une charge opposée. Par
commodité et pour alléger les écritures, on a défini une constante correspondant à ces charges : la charge
élémentaire. Cette charge a été calculée par le physique américain Millikan en 1909, ce qui lui valut un prix Nobel en
1923. On ne peut pas isoler une plus petite quantité d’électricité : la charge élémentaire vaut e = 1,609.10-19 C (C pour
coulomb, l’unité de la charge électrique).
Document 3 : Masse des particules élémentaires d’un atome
 La charge électrique :
a. Combien un atome comporte-t-il d’électrons ? Justifier.
b. Que vaut la charge la charge électrique qproton d’un proton ? qélectron d’un électron ?
c. Démontrer que la charge électrique qnoyau d’un noyau vaut « Z.e ».
d. Avec la même rigueur, justifier la charge électrique d’un atome isolé.
 La masse :
a. En comparant la masse des particules contenues dans un noyau, quelle conclusion peut-on en tirer ?
b. Justifier alors où se concentre essentiellement la masse d’un atome.
c. Montrer, avec rigueur et en utilisant les deux observations précédentes, que la masse d’un atome vaut
« A.mproton ».
 La dimension :
a. Rappeler l’ordre de grandeur du diamètre d’un atome datome et celui de son noyau dnoyau.
b. Comment qualifier la structure d’un atome ? Justifier.
 Conclusion : Faire un schéma du modèle de l’atome en annotant de la façon la plus complète possible.
Si l’on supprimait tout l’espace vide contenu dans le corps humain, l’humanité tout entière tiendrait dans un dé à coudre !
proton
neutron
électron
mproton = 1,672.10-27 kg
mneutron = 1,675.10-27 kg
mélectron = 9,1.10-31 kg

Seconde_Thème 1_L’UNIVERS
chapitre 4_Description microscopique de l’atome
M.Meyniel 4/4
Conclusion : L’Univers est donc constitué d’atomes que l’on peut symboliser d’après l’élément
chimique « X » que l’on considère. Ces éléments représentent l’unité structurale universelle. Il convient alors
de bien les définir. C’est ce que nous allons nous attacher à faire dans la suite.
Compétences exigibles
- Connaître la constitution d’un atome et de son noyau.
- Connaître et utiliser le symbole 
.
- Savoir que l’atome est électriquement neutre.
- Connaître le symbole de quelques éléments.
- Savoir que la masse de l’atome est pratiquement égale à celle de son noyau.
Exercice sur l’or (Au)
Objectifs : - Connaître la composition d’un atome et de son noyau.
- Savoir convertir des valeurs et connaître la notation scientifique et les ordres de grandeur.
1. Un noyau d’atome d’or possède A = 197 nucléons et possède une charge q = 1,26.10-17 C. La
charge élémentaire a pour valeur e = + 1,6.10-19 C.
a. Montrer, à partir des données, que le numéro atomique d’un noyau d’atome d’or Z vaut 79.
b. Préciser la constitution de ce noyau et donner son symbole.
c. Combien l’atome isolé correspondant contient-il d’électron ? Justifier.
2. a. Exprimer littéralement la masse exacte mexacte de l’atome d’or isolé en fonction de la masse
des différentes particules qui le constituent.
b. Exprimer, toujours littéralement, la masse approchée mapprochée en considérant que tous les
nucléons ont la même masse (1,67.10-27 kg) et que celle des électrons est négligeable.
c. Justifier la dernière approximation précédente.
3. a. Calculer la masse mapprochée d’un atome d’or isolé.
b. Ecrire le résultat en notation scientifique et préciser l’ordre de grandeur.
c. En déduire le nombre d’atomes présents dans un lingot d’or de masse m’ = 1,0 kg.
4. Le rayon d’un atome d’or mesure ratome = 1,5.10-1 nm ; celui de son noyau rnoyau = 7.10-9 µm.
a. Convertir la taille du rayon de l’atome et celle de son noyau en mètre puis en millimètre.
b. Donner les ordres de grandeurs, en mètre, de ces rayons. Conclure quant à leur rapport.
5. Et pour le plaisir (!) : Calculer le volume de l’atome (Vatome) et celui du noyau (Vnoyau) en m3.
Rappel : Le volume d’une sphère a pour expression :  