Activité d`histoire des sciences sur le développement du modèle

Activité d'histoire des sciences sur le
développement du modèle atomique
Module 1 : Propriétés et structure
Objectif terminal 4 : Le modèle atomique
Jeu de rôle conçu par Cathy Delisle et Michel Dumont
Université Laval
Hiver 1999
Description de l’activité
Cette activité de synthèse prend la forme d’un jeu de rôle qui se déroule sur une période de cours. Les
personnages joués sont Démocrite, Aristote, John Dalton, Joseph John Thomson, Ernest Rutherford et
Niels Bohr. Chaque équipe représente un de ces personnages et chaque membre tient un rôle distinct,
soit celui de présentateur, d’acteur ou de dessinateur.
La présente activité a été conçue pour un groupe de 25 élèves. Il est cependant possible d’introduire
des personnages supplémentaires au jeu de rôle. Par exemple, vous pourriez choisir de laisser parler
James Chadwick de la découverte du neutron, Max Planck de la théorie des quanta, Henri Becquerel de
la découverte de la radioactivité, etc. Bien que ces personnages n’aient pas élaboré de modèle
atomique, leurs travaux ont permis à Rutherford et à Bohr de construire le leur.
Une dernière possibilité est de discuter du modèle atomique actuel, selon lequel les protons et les
neutrons sont formés de quarks.
Déroulement
Les présentateurs exposent le contexte dans lequel ont évolué les acteurs, qui, pour leur part,
décrivent leurs apports au modèle atomique. Enfin, les dessinateurs sont responsables de reproduire au
tableau le dessin du modèle élaboré. Suite à l’exposé de l’acteur de l’équipe, le dessinateur doit
expliquer brièvement les éléments de son dessin. Pour rendre l’activité plus amusante, vous pouvez
suggérer aux élèves de concevoir un costume pour l’acteur de leur équipe.
Équipement nécessaire
♦ tableau avec craie ou crayon
♦ costumes (si désirés)
Note
Dans les pages qui suivent, vous trouverez des textes déjà préparés pour chacun des rôles à jouer. Si
vous préférez plutôt laisser les élèves préparer les leurs, ils peuvent consulter les biographies de
chercheurs
qui
se
trouvent
sur
le
site
Internet
OPUS
à
cette
adresse :
http://www.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/complements/matiere.shtml.
© Chaire CRSNG/Alcan pour les femmes en sciences et génie au Québec
Vous avez le droit de reproduire et de distribuer ce document à des fins strictement éducatives.
Il ne doit cependant pas être intégré à un recueil de textes ou d’exercices ou utilisé à des fins lucratives.
Activité d'histoire des sciences sur le développement du modèle atomique
1
Démocrite
Démocrite (v. 460-v. 370 av. J.-C.)
Présentateur 1
Démocrite est un philosophe grec qui a vécu 400 ans avant Jésus-Christ.
Démocrite a été influencé par son maître, Leucippe, qui, dit-on, est le fondateur de la théorie
atomiste. Leucippe a été le premier à dire que « tout est composé de particules insécables, qui
matériellement sont toutes semblables. » Selon Leucippe, les atomes se distinguent entre eux par la
figure, la situation et l'agencement d'un composé.
Démocrite est parti de la théorie atomiste pour établir le système du matérialisme. Il établit donc une
théorie de la discontinuité de la matière.
Présentateur 2
Selon lui :
1. L'âme est constituée d'atomes subtils, tout comme les choses qui nous entourent.
2. Il ne croit pas en la théorie de la création, pour lui cette idée est contradictoire car rien ne naît
de rien.
3. Tout ce qui existe est constitué d'atomes et de vide. Rien n'existe en dehors de l'atome et du
vide.
4. Les atomes sont en nombre infini, emportés vers le bas dans un mouvement de chute.
5. Et la rencontre des atomes produit des tourbillons dont certains deviendront des mondes
éphémères.
Un autre philosophe grec du temps de Démocrite, Épicure, a précisé que l'atome était invisible et que
c'était l'atome qui constituait l'élément commun à la physique et à la psychologie.
Laissons maintenant la parole à Démocrite.
Acteur
Bonjour chers collègues de l'Académie,
Moi, Démocrite, je suis venu vous présenter ma théorie atomiste, théorie de la matière discontinue.
Selon moi, la matière est constituée de vide. Elle est faite de particules séparées, tout comme le sable
qui est composé de grains. Ainsi, la matière est constituée de particules, c'est-à-dire d'unités infiniment
petites qui ne peuvent pas être divisées.
L'arrangement et la disposition des atomes peuvent différer dans la matière. Ces différents
arrangements expliquent les différentes caractéristiques d'une substance par rapport à une autre.
Prenez par exemple l'or et le bois. Ces deux substances possèdent des caractéristiques différentes, mais
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Démocrite
sont composées d'atomes identiques. Cependant, l'or est plus lourd que le bois, parce que les atomes de
l'or sont plus rapprochés que les atomes du bois. L'or est donc une matière plus dense que le bois.
Selon moi, il y a une limite au nombre de fois qu'un objet peut-être divisé sans que sa substance ne soit
modifiée. Cette particule indivisible de base, je lui ai donné le nom d'atome.
Voilà mes amis, ce que je pense de l'infiniment petit. Constatez comme ma théorie sur la discontinuité
de la matière est si bien pensée et réfléchie.
Activité d'histoire des sciences sur le développement du modèle atomique
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Aristote
Aristote (384-322 av. J.-C.)
Présentateur 1
Aristote a vécu un peu après Démocrite soit en 350 avant J-C. Il était un philosophe influent à son
époque et il n'acceptait pas le modèle de la discontinuité proposé par Démocrite.
Selon lui, le vide ne peut pas exister. Il croyait en la théorie de la continuité. À cette époque, en
Grèce, il y a confrontation entre les idées d'Aristote et celles de Démocrite. Pour Aristote, dans la
matière, l'essence n'existe qu'en puissance et elle parvient à la réalité que par la forme. Ainsi, selon lui,
la matière a une forme qui est l'âme.
Aristote croyait que le premier moteur de la matière était Dieu. Cependant, il affirmait que Dieu
n'intervenait jamais dans le cours du monde, c'est-à-dire qu'il n'exerçait aucune influence.
Présentateur 2
Il est important de noter que Démocrite, Aristote et leurs collègues n'étaient pas des scientifiques, mais
plutôt des philosophes. Les concepts qu'ils élaboraient étaient le fruit d'une réflexion plutôt que d'une
expérimentation. Il faudra attendre prêt de 2000 ans avant qu'on ne dépasse le stade de la réflexion
pour passer aux stades de l'observation et de l'expérimentation. Pendant ces deux millénaires nous
avons cru à la théorie de la continuité d'Aristote, puisque ce dernier avait été plus influent que
Démocrite à l'époque de l'Antiquité grecque. Au Moyen-Âge, il était même interdit de croire en la
théorie de la discontinuité, car on risquait d'être excommunié de l'Église catholique.
Écoutons maintenant notre ami Aristote, l'homme qui a influencé la pensée de la majorité des hommes
pendant près de 2000 ans.
Acteur
Il y a un certain Démocrite qui a essayé de répandre une théorie de la discontinuité de la matière.
Selon moi, les propos qu'il avance sont faux. On ne peut pas supposer que la matière est composée
d'atomes libres aux arrangements multiples. Admettre cette hypothèse, c'est admettre la possibilité
d'un vide entre les atomes. Serait-ce possible que les êtres humains soient constitués de vide? Puisque
nous nous voyons les uns les autres, nous pouvons constater facilement que nous sommes pleins. Il est
impossible que la matière soit discontinue.
Selon moi, la matière est continue, c'est-à-dire que n'importe quelle substance rempli complètement,
et je dis bien complètement l'espace qu'elle occupe. Je suis persuadé que le vide n'existe pas. De plus,
après plusieurs discussions avec mes amis philosophes, nous ne pouvons accepter le modèle de la
discontinuité, puisque ce dernier suggère que l'esprit humain est un agencement déterminé de
particules. Admettre que l'esprit humain est un agencement donné de particules, c'est admettre que
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Aristote
notre esprit ne pense pas. Et moi, je pense, donc l'agencement des particules composant mon esprit
serait modifié, si l'on se fie à cette théorie de la discontinuité de la matière. La théorie de Démocrite
est parsemée de failles, puisqu'elle n'explique en rien la constitution de nos esprits.
Merci de votre écoute attentive et ne vous laissez plus berner par de faux philosophes.
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5
John Dalton
John Dalton (1766-1844)
Présentateur 1
Pendant près de 2000 ans, soit depuis Démocrite, peu de chercheurs ont été intéressés à conquérir « le
monde de l'infiniment petit ». Plusieurs chercheurs se sont inspirés de la méthode expérimentale et ont
mis en évidence certaines propriétés de la matière. Voici les nombreux chercheurs qui ont contribué au
développement du modèle de l'atome : Roger Bacon, Robert Boyle, William Gilbert, Nicolas Cabeo,
Benjamin Franklin, Charles Coulomb, Joseph Proust et Antoine Laurent Lavoisier.
Ainsi, tous ces chercheurs ont contribué, par leurs recherches, au développement de la théorie
atomique de Dalton. Leurs résultats s'avérèrent utiles pour comprendre ultérieurement la structure de
la matière. Les travaux de ces précurseurs préparèrent la voie aux travaux de John Dalton, celui qu'on
appelle aujourd'hui le père de la théorie atomique.
Présentateur 2
Dalton a été élevé à l'école de son village, loin des principaux centres intellectuels. Au début de la
vingtaine, il enseignait la grammaire anglaise, le latin et les mathématiques. Au début de sa vie, il ne
portait pas l'étiquette de scientifique. Ce n'est qu'à 38 ans qu'il commença à enseigner la chimie.
Il s'est intéressé à la solubilité des gaz dans l'eau. Il était intrigué par le fait que l'eau absorbe
davantage certains gaz. Cela l'a amené à reprendre l'hypothèse de l'indivisibilité de la matière énoncée
par Démocrite. Dalton a supposé que la matière se composait de particules distinctes séparées par des
espaces vides. Cela lui permettait d'expliquer la solubilité des gaz dans l'eau.
Laissons-le expliquer sa théorie à l'instant. La parole est à vous monsieur Dalton.
Acteur
Bonjour, chers confrères et chères consœurs,
Depuis près de 2000 ans, nous croyons à la théorie de notre ami philosophe Aristote, celle de la
continuité, alors que nous devrions plutôt faire confiance à celui qui l'a confronté, Démocrite. En
reprenant sa théorie de la matière discontinue, j'ai supposé que la matière se composait de particules
distinctes séparées par des espaces vides. Pour prouver mes dires, je me suis basé sur de véritables
observations scientifiques, contrairement à nos amis philosophes qui ne faisaient que réfléchir. Moi, j'ai
observé et fait des expériences pour prouver ce que j'avance. L'observation de faits est, selon moi,
beaucoup plus crédible qu'une simple réflexion.
J'ai supposé que chaque gaz était formé de particules ayant des caractéristiques différentes, dont la
plus importante d'entre elles est la masse. À partir de mes observations minutieuses à propos des
masses de divers éléments qui forment les composés, j'ai formulé ma propre conception de la matière.
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John Dalton
Selon moi, la matière est composée de petites particules indivisibles appelées atomes. Démocrite avait
avancé la même chose, sauf que ce dernier croyait que ces atomes étaient identiques. Moi je dis que
tous les atomes d'un même élément sont identiques. Il y a un atome spécifique pour chaque élément
comme l'oxygène, l'azote, l'or, l'hydrogène, etc. Les atomes des différents éléments sont donc
différents. Je crois aussi qu'il y a des réactions chimiques dans lesquelles les atomes se combinent pour
former de nouveaux produits. Ainsi, les différentes combinaisons que peuvent faire les atomes entre
eux donnent naissance à différents composés comme l'eau et l'air. Ma théorie permet d'interpréter les
propriétés physiques des milieux gazeux. De plus, elle est très crédible puisqu'elle est basée sur des
rapports mathématiques qui permettent d'expliquer les lois des combinaisons chimiques. Ma théorie est
basée sur des faits et sur une logique mathématique. J'aimerais aussi préciser que chaque atome est
entouré d'une atmosphère de chaleur qui attire les autres atomes. Il y a attraction entre les atomes et
cela explique la formation des produits dans les réactions chimiques.
Merci beaucoup pour votre attention et n'oubliez pas qu'il est important de faire des observations avant
d'élaborer des modèles.
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sir Joseph John Thomson
sir Joseph John Thomson (1856-1940)
Présentateur 1
Près de deux siècles plus tard, les fondements de la théorie atomique énoncée par Dalton sont toujours
reconnus comme vrais. On croit toujours qu'une substance quelconque est formée d'atomes et que les
phénomènes de transformation de la matière dépendent des réaménagements des atomes qui la
composent.
Cependant, le modèle de Dalton, représentant l'atome comme une sphère uniforme et indivisible va
être modifié pour expliquer de nouvelles observations.
Les premières observations qui ont été à l'origine de la transformation du modèle de Dalton furent
associées à la découverte de particules négatives et positives dans un même atome.
Présentateur 2
Thalès de Milet, William Gilbert, Charles Du Fay et Benjamin Franklin contribuèrent tous à la
découverte de particules négatives et positives dans l'atome. Dès lors, une nouvelle théorie était née :
la théorie moderne de l'électrostatique. Suite à de nombreuses découvertes, un physicien anglais,
nommé Joseph John Thomson, proposa un autre modèle de l'atome. Bien que plusieurs autres
chercheurs aient contribué à la découverte de l'électron, on attribue à Thomson cette découverte. Il a
reçu le prix Nobel de physique en 1906 pour avoir établi l'existence de cette particule.
Suite à cette découverte, il a fourni la preuve que les rayons cathodiques sont formés de particules
dont la masse est bien moindre que celle des atomes les plus légers. Ses recherches l'on amené à
inventer le spectrographe de masse, servant plus précisément à peser les atomes. C'est ainsi que cette
invention servira plus tard à son collaborateur Francis William Aston, pour découvrir et séparer les
isotopes.
Nous allons faire un voyage dans le temps, pour aller partager avec monsieur Joseph John Thomson sa
théorie du modèle atomique.
Acteur
Bonjour chers confrères. N'ayez craintes, je serai très bref dans ma présentation.
D'abord, je vais vous faire part de l'expérience qui m'a permis d'élaborer mon modèle de l'atome.
À l'aide d'une plaque métallique et d'une lumière ultraviolette, j'ai pu facilement conclure que l'atome
n'était pas une unité indivisible. J'ai découvert que la matière était constituée de particules 2000 fois
plus légères que l'atome le plus léger.
Activité d'histoire des sciences sur le développement du modèle atomique
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sir Joseph John Thomson
En éclairant une plaque métallique avec une lumière ultraviolette, j'ai pu remarquer qu'il était très
facile d'arracher des électrons à la matière. S'il y a des sceptiques dans la salle, je vous invite à vous
présenter chez moi, où je vous en ferai la démonstration.
L'atome est une unité divisible, je dis bien divisible, composée de charges négatives et positives réunies
de façon homogène. Puisque l'atome est neutre, il m'a parût évident que la présence de charges
négatives implique la présence de charges positives.
L'atome est une sorte de pâte à charges positives dans laquelle sont enfouies des charges négatives ou
si vous préférez des électrons.
Je crois que tous ici ont déjà mangé ou du moins regardé un pain aux raisins. Et bien, l'atome c'est
pareil! L'atome c'est comme une pâte positive, où l'on a enfoui des raisins secs négatifs un peu partout.
Vous pouvez observer au tableau la simplicité de la constitution de l'atome. C'est ainsi que l'atome
semble fait. Rien de plus, rien de moins.
Merci de votre attention.
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lord Ernest Rutherford
lord Ernest Rutherford (1871-1937)
Présentateur 1
Les travaux de Thomson et de ses contemporains semblaient démontrer que les atomes contenaient des
particules chargées négativement. Or, puisque les atomes sont électriquement neutres, il fallait en
conclure qu'ils contenaient des particules chargées positivement. Mais personne n'avait encore prouvé
l'existence de ces particules.
Vers le début du siècle, une cascade de découvertes allaient permettre de créer des outils pour sonder
plus intimement le cœur de l'atome et mettre en évidence ces particules chargées positivement.
Présentateur 2
En 1896, le Français Henri Becquerel fit une découverte étonnante et surprenante, grâce à l'intérêt qu'il
portait au rayonnement émis par certaines substances lorsqu'elles étaient exposées à la lumière du
soleil. Un jour, Becquerel rangea par hasard dans un tiroir une plaque photographique enveloppée dans
du papier et portant des sels d'uranium. Après quelques jours, il constata à sa grande surprise la
présence d'une image noire qui épousait à peu près les contours des sels d'uranium. Il devait y avoir une
forme de rayonnement qui émanait spontanément des sels utilisés, sans que ceux-ci aient besoin d'être
stimulés. Becquerel venait de découvrir par accident ce que Marie Curie appellera plus tard la
radioactivité.
Plusieurs recherches débutèrent par la suite sur les différentes caractéristiques des radiations.
Marie Curie consacra une bonne partie de sa vie à l'étude des radiations. C'est elle-même qui proposa le
terme de radioactivité pour désigner l'émission produite par l'uranium. Ces travaux lui valurent deux
prix Nobel.
Présentateur 3
La découverte de la radioactivité par différents chercheurs a eu pour effet d'inviter d'autres chercheurs
à se pencher sur les propriétés des radiations.
Un dénommé Ernest Rutherford, physicien anglais et élève de Monsieur Thomson, entreprit des
recherches sur le pouvoir des radiations. Il fit des découvertes qui l'incita à raffiner le modèle atomique
de son maître, M.Thomson.
En 1911, il présenta un nouveau modèle de l'atome, représenté cette fois-ci sous forme de modèle
planétaire. Cette idée de représentation avait, dix ans auparavant, été suggérée par un dénommé Jean
Perrin. Rutherford n'est donc pas le premier à avoir pensé que l'atome pouvait ressembler à un système
solaire miniature. Mais c'est pourtant à lui que reviennent tous les mérites. Rutherford a su prouver son
modèle par l'intermédiaire de ses résultats de recherches, ce que Jean Perrin ne su faire.
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lord Ernest Rutherford
Je vous propose un voyage dans le passé, afin de mieux comprendre cette théorie planétaire proposée
par M. Ernest Rutherford.
Acteur
Bonjour cher collègues!
Je suis très fier d'être ici aujourd'hui parce que j'ai l'immense honneur de vous annoncer que j'ai
découvert à quoi peut bien ressembler l'atome. Je vais vous faire part de l'expérience qui m'a permis de
conclure sur la structure de l'atome.
Au départ, cette expérience était très simple, ce sont plutôt les résultats que j'ai obtenus qui ont été
plus difficiles à interpréter. J'ai tout simplement dirigé, vers une mince feuille d'or, un faisceau de
particules alpha, ou encore un faisceau de particules positives, provenant du radium radioactif. Je
m'étais muni également d'un écran fluorescent, que j'ai placé derrière la feuille d'or. Cet écran émet
une scintillation lorsqu'il est atteint par une particule alpha.
En considérant le modèle de Monsieur Thomson, où l'atome neutre ressemble à une boule positive
parsemée d'électrons négatifs, je m'attendais à ce que les particules alpha ne subissent qu'une légère
déviation en traversant la feuille de métal. Dans ce modèle atomique, il n'existe pas de particules ou de
concentration de forces assez grandes pour faire dévier fortement les particules alpha. Et bien j'ai été
plus que surpris!
J'ai découvert que :
♦ la majorité des particules alpha ont traversé la feuille métallique en ligne droite.
♦ plusieurs particules alpha traversent la feuille d'or en étant déviées légèrement.
♦ certaines particules alpha, environ 1/100 000, sont fortement déviées et rebondissent à un angle
supérieur à 90 degrés.
Et finalement, après plusieurs essais, j'ai conclu que la déviation des particules alpha est d'autant plus
importante que la masse atomique du métal composant la feuille est élevée.
Après avoir réfléchi longuement Mesdames et Messieurs, j'en suis venu à la conclusion que si la majorité
des particules alpha passent à travers la feuille métallique sans être déviées, c'est qu'elles ne
rencontrent pas de matière. L'atome est en grande partie composé de vide.
Les particules qui sont fortement déviées doivent être entrées en collision avec un bloc massif à
l'intérieur de l'atome. J'ai désigné ce point minuscule et rare à l'intérieur de l'atome : noyau.
L'atome contient un noyau très dense et chargé positivement. Il est entouré par des électrons qui se
déplacent dans un espace très grand par rapport à celui occupé par le noyau.
L'atome ressemble donc à un système solaire miniature avec un noyau au centre représentant le Soleil,
et des électrons gravitant autour, telles des planètes.
Je vous remercie et je tiens à remercier Hans Geiger, mon plus grand collaborateur, ainsi que
M.Thomson, mon maître.
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Niels Henrik David Bohr
Niels Henrik David Bohr (1885-1962)
Source de l’image : Wheeler Collection
Une courtoisie de AIP Emilio Segrè Visual Archives
Présentateur 1
Comme Rutherford fut l'élève de Thomson, Rutherford eut à son tour un élève appelé Niels Bohr. Bohr
était un physicien danois, qui était décrit par Rutherford comme l'homme le plus intelligent qu'il n'ait
jamais rencontré. Après avoir été fortement inspiré par la théorie des quanta de Max Planck, il élabora
à son tour une nouvelle théorie de la structure de l'atome.
En 1920, Rutherford avait évoqué l'existence d'une particule neutre voisine à celle du proton.
Cependant la découverte de cette particule ne se fit que douze ans plus tard par monsieur James
Chadwick. Cette particule fut appelée neutron.
Présentateur 2
Rutherford, Planck et Chadwick influencèrent grandement le modèle proposé par Bohr.
Bohr a précisé le modèle proposé par Rutherford, en situant les électrons sur des couches électroniques
ou des niveaux énergétiques. Pour la dernière fois, nous allons nous transporter dans le passé pour aller
entendre monsieur Niels Bohr.
Acteur
Bonjour à tous! Je me présente, je suis Niels Bohr, élève de M. Rutherford, ici présent.
Mes recherches, basées sur la théorie des quanta, m'incitent à apporter quelques modifications au
modèle de M. Rutherford.
Avec tout le respect que je vous dois M. Rutherford, il me faut vous dire que, selon les lois de la
physique classique, votre modèle de l'atome s'avère instable.
Dans votre modèle, les électrons seraient appelés à tomber sur le noyau. De ce fait, l'énergie émise par
le rayonnement de l'atome serait perçue sous forme de spectre continu, contrairement à ceux connus
jusqu'à maintenant, qui sont plutôt sous forme de spectre de raies. Mes recherches me suggèrent que
les électrons peuvent seulement graviter sur un nombre limité d'orbites, correspondant à des niveaux
d'énergie, appelées couches électroniques. Lorsque les électrons changent de couche électronique, ils
absorbent ou émettent de l'énergie.
De façon générale, l'atome est une unité divisible comportant des particules positives et des particules
neutres, concentrées dans le noyau, et des particules négatives évoluant sur des couches électroniques.
Je vous remercie de votre attention et s'il y a des questions je me ferai un plaisir d'y répondre. Merci.
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