C1 TP 1 TD Histoire et Atome

TP n°1(TD) : Histoire de l'atome.
Nom: …...........................
But du TP : Connaître la notion de modèle, étudier l’expérience décisive de
Rutherford pour comprendre la structure de l’atome.
1. Introduction.
Le modèle de l'atome n'a pas toujours été celui que l'on connait aujourd'hui. Il
est en constante évolution, allant sans cesse dans la direction de l'infiniment
petit.
2. Des philosophes grecs aux scientifiques du XXe siècle.
Dès 400 ans av.J.-C., le philosophe grec Démocrite (460-370
av.J._C.) a l'intuition que la matière est constituée de petits
« grains » indivisibles qu'il appelle atomes (du grec a-tomos
littéralement in-sécable). Il imagine les atomes éternels, pleins
et 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. J.-C.) 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 atomique de
Démocrite. Selon lui, l'atome est une sphère pleine de
matière. Son modèle permet d'expliquer les réactions
chimiques par assemblage ou séparation des atomes selon
des proportions simples.
En 1897, le physicien anglais John Joseph Thomson (18561940) découvre l'un des composants de l'atome : l'électron,
particule chargée négativement. En 1904, il propose un
modèle dans lequel l'atome est constitué d'une sphère
chargée positivement parsemée d'électrons en mouvement.
L'ensemble est électriquement neutre.
En 1911, le physicien anglais Ernest
Rutherford (1871-1937) propose un modèle précisant la
répartition des charges positives et négatives dans l'atome.
L'atome est constitué d'un noyau chargé positivement
autour duquel les électrons sont en mouvement.
De nos jours, le modèle de l'atome utilisé pas les physiciens fait intervenir la
physique quantique. Cette théorie établit que les électrons n'ont pas d'orbite
définie, mais une « probabilité de présence » autour du noyau au sein d'un
« nuage électronique ». Ce modèle n'autorise plus à la schématisation de
l'atome.
a) Que signifient les termes « insécables » et « immuable » ?
b) Quelle découverte montre que l'atome n'est pas insécable ?
c) Quelle différence existe t-il entre le modèle de Thompson et celui de
Rutherford ?
d) Rechercher les noms de quelques physiciens du XXe siècle ayant
contribué au développement de la physique quantique.
3. Expérience de Rutherford.
a) Contexte historique
A la fin du XIXème siècle, les scientifiques pensaient que les atomes étaient
des sphères pleines, rangées les unes contre les autres.
Au même moment, Ernest Rutherford étudie les rayonnements issus de
matières radioactives. Il s’intéresse, en
particulier, aux particules α qui sont des
noyaux d’hélium portant une charge
électrique positive.
b) Description de l’expérience
L’idée est de déterminer la structure de
l’atome en étudiant la trajectoire des
particules α lorsqu’elles rencontrent une
feuille d’or de quelques micromètres
d’épaisseur, placée dans une enceinte vide.
D’après le modèle atomique de l’époque,
que devrait-il se passer si on bombarde une
feuille d’or par des particules α ?
c) Visualiser l’animation
http://www.educationnumeriquepourtous.com/
new/ressources/Ressources/flash_resources/edu_2.swf
d) Observations :
Une tache fluorescente très intense apparaît au centre.
L’intensité lumineuse de cette tache est très légèrement inférieure à celle que
l’on obtient sans la feuille d’or.
Que peut-on déduire des deux observations précédentes ?
Quelques points fluorescents apparaissent autour de cette tache centrale.
De rares points fluorescents sont visibles du même côté que la source.
Comment interpréter des deux observations précédentes ?
e) Conclusions de Rutherford
Rutherford propose alors un autre modèle pour l’atome, appelé modèle
planétaire : L’atome est essentiellement constitué de vide ; L’atome est formé
d’un noyau central chargé positivement autour duquel gravitent des électrons
chargés négativement.
En utilisant les valeurs du tableau ciAtome d’or (symbole Au)
contre, comparer la taille du noyau et de Rayon atomique
135.10-12 m
l’atome d’or.
Rayon du noyau
10.10-15 m
Quelle proposition de Rutherford, cela confirme-t-il ?
Quelle observation conduit Rutherford à penser que le noyau porte une
charge électrique positive ?
f) Prolongements
En 1932, le physicien James Chadwick découvre une autre particule
présente dans le noyau, en plus du proton. Sa masse est sensiblement égale
à celle du proton mais sa charge électrique est nulle : c’est le neutron.
De nos jours, le modèle de l’atome utilisé par les physiciens fait intervenir la
physique quantique. Cette théorie établit que les électrons n’ont pas d’orbite
définie, mais une « probabilité de présence» autour du noyau au sein d’un «
nuage électronique ».
Sachant que la charge électrique portée par le noyau de l’atome d’or
vaut 1,26.10-17 C, calculer le nombre Z de protons qu’il contient.
Donnée : charge élémentaire portée par un proton e = 1,6 . 10-19 C.
Le noyau d’un atome d’or s’écrit Au et contient 197 nucléons, c'est-à-dire
proton + neutron. En déduire le nombre de neutrons qu’il contient.
Un atome étant électriquement neutre, en déduire le nombre d’électrons
(de charge - e) qui gravitent autour du noyau.
Calculer la masse d’un atome d’or Particule
en utilisant les données du tableau Masse (en
ci-contre.
kg)
Proton
Neutron
Electron
1,67×10-27
1,67×10-27
9,1×10-31
Pourquoi dit-on que la masse de l’atome d’or est concentrée dans son
noyau ?
Faire un schéma de l’atome d’or d’après le modèle planétaire de
Rutherford.