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Structure de la matière Ramdane Benazouz / 2009 Chapitre 2 : les particules de l’atome
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Chapitre 2
PROPRIETES ET CARACTERISATION
DES PARTICULES DE L’ATOME
J
JJ
J.
..
. J
J J
J.
..
. Thomson (physicien anglais),
Thomson (physicien anglais), Thomson (physicien anglais),
Thomson (physicien anglais),
R.
R. R.
R. Millikan
MillikanMillikan
Millikan, physicien américain
, physicien américain , physicien américain
, physicien américain
E.
E.E.
E.Rutherford
RutherfordRutherford
Rutherford
J
JJ
J.
..
.Chadwick
ChadwickChadwick
Chadwick
Millikan, Robert Andrews
Millikan, Robert AndrewsMillikan, Robert Andrews
Millikan, Robert Andrews Sir Joseph Thomson
Sir Joseph ThomsonSir Joseph Thomson
Sir Joseph Thomson
Joseph
Joseph Joseph
Joseph John Thomson (
Thomson ( Thomson (
Thomson (1856-1940), physicien anglais, recoit le prix Nbel de
physique en 1906 pour sa decouverte de l’electron.
Robert Andrews
Robert AndrewsRobert Andrews
Robert Andrews Millikan
MillikanMillikan
Millikan (1868-1953), physicien américain,
Prix Nobel de physique en 1923 pour la détermination de la charge de
l’électron.

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LES ELECTRONS
1- Mise en évidence des électrons (Crooks 1879)
Dans un tube cathodique, sous une pression du gaz (air + néon) à 10
-6
atm, le verre
devient fluorescent sous l’effet des rayons cathodiques (annexe 1). L’image d’un objet
placé à l’intérieur apparaît sur l’écran du tube, en noir. Le reste est fluorescent. L’ombre
indique que ces particules se déplacent en ligne droite. Placée diamétralement opposée à
l’objet lui-même, Crooks déduit que ces électrons se déplacent rectilignement.
Dans une deuxième expérience, un petit cylindre est placé dans la direction de ces
particules. Après fermeture du circuit on a observé le déplacement du cylindre dans la
même direction et dans le même sens. Crooks conclua alors que ces dernières ont une
énergie cinétique et donc une masse.
2- Détermination de e/m de l’électron (Thomson 1915)
Le rapport e/m est une mesure quantitative, effectuée par Thomson. La méthode
utilisée ne permet de donner qu’une valeur approximative exprimée par la distance AB,
une distance apparente sur l’écran, due au déplacement du point A au point B.
Ce phénomène est apparu
Après application du champ
magnétique à ces particules
à leur sortie du Condensateur.
- +
Figure 11 : Expérience pour la mise en évidence
de l’énergie cinétique de l’électron
N
_ S -
+
Figure 12 : Expérience de J.Thomson

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3- Déviation de l’électron dans un champ électrique
Soit un faisceau d’électrons dans un champ électrique, crée par deux plaques d’un
condensateur, distantes de «d » et de longueur «l ». La force appliquée aux électrons est
f = - qE ( f = -eE pour un électron).
Le bilan de forces appliquées à un électron pendant le mouvement dans le condensateur
sera :
Σ F = m γ
f = m γ ; e E = m γ ⇒ γ = e E / m
Si on décompose le mouvement à l’entrée du condensateur, on aura un mouvement
uniformément varié selon y et uniforme selon x.
γ = γ
y
+ γ
x
γ
x
= 0 (uniforme) ; γ
y
= + e E/m
d’autre part, γ
y
= d
2
y / dt
2
alors d
2
y / dt
2
= Ee / m et d
2
x / dt
2
= 0
y
0
= 0
Y = ½ (+Ee / m) t
2
et dx / dt = v
0 ,
X = V
0
t x
0
= 0
V
0y
= 0
v
0
= v
0x
, mouvement uniforme à l’entrée du condensateur (v
y
= 0), prises à l’ordonnée à
l’origine. Nous obtenons deux équations.
+ + + + + + + + + + + + + + y
Fe
x
E
Figure 13 : Influence du champ électrique sur les électrons

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y = + ½ eE / m t
2
et dx / dt = v
0
X = v
0
t ⇒ t = x / v
0
En remplace l’expression du temps (t = x / v
0
) dans y et x par λ la déviation apparente à
la sortie du condensateur. y est l’expression de la déviation de l’électron le long du
condensateur. Elle permet de donner sa valeur à la sortie de celui-ci (quand x = λ ).
Y = + ½ eE / m . λ
2
/ v
02
4- Déviation de l’électron dans un champ magnétique
Une charge qui se déplace dans un champ d’induction magnétique B, est soumise à la
force magnétique F
m
= q (v ∧ B), comme un produit vectoriel de v et B, de module :
F
m
= qVB sin α
α est l’angle formé par les vecteurs vitesse et champ d’induction (v et B).
La direction de F
m
est donnée par la règle des trois doigts de la main droite (le pouce
indique F, l’index la vitesse et le 3
ème
doits indique B).
La force magnétique appliquée à un seul électron est F = evB sin α, si l’induction
magnétique est orthogonale à la vitesse des particules (électrons), c.à.d que α = 90°, alors
sin α est égal à 1 et par suite F
m
= evB (valeur maximale de son module).
Le bilan de forces agissant sur l’électron est :
Σ F = m γ
la force dynamique est
centripète, le mouvement de
l’électron est soumis à
l’accélération normale
(γ
⊥
= v
2
/ R)
evB = m.v
2
/ R.
d’où e / m = v / B.R et aussi R = mv / e.B
R = étant le rayon de la trajectoire.
⊗ B
V Fm
Figure 14 : Influence du champ magnétique
sur les électrons

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Si on combine les deux champs (magnétique et électrique) de façon qu’ils soient égaux et
opposés, c’est à dire que leurs forces soient égales. En ce moment, le faisceau est droit.
F
e
= F
m
alors, evB = e E
⇒ v = E/B
Le rapport e/m sera égal à : e/m = 2ye/B
2
l
2
e/m est trouvé égal à : 1,759 10
11
coulomb/kg .
Ce rapport ne dépend pas de la nature des cathodes utilisées.
5- détermination de la charge de l’électron. Expérience de Millikan
Millikan faisa une expérience basée sur le déplacement des gouttelettes d’huile dans une
chambre d’air. Ionisé par les rayons x, il permet de charger les gouttelettes qui se
trouvent à l’intérieur. L’expérience est effectuée en deux étapes .
a) En absence des Rx , une gouttelette n’est soumise qu’à deux forces la pesanteur p et
celle de la poussée d’archimède p
,
. Au cours de son déplacement une troisième force
intervient, la force de frottement de Stocks.
P = mg = 4/3 π r
3
ρ g (ρ est la masse volumique de l’huile)
p
,
= m
,
g = 4/3 π r
3
ρ
°
g (ρ
°
est la masse volumique de l’air)
r est le rayon de la gouttelette et g l’accélération de la pesanteur.
ƒ = σ π ŋ r
Huile pulvérisée sous pression
ƒ est la force de stocks
ŋ est la viscosité de l’air
v est la vitesse de déplacement
Considérons le bilan des forces en Rx
prenant comme vitesse, la valeur
maximale. +
-
P + P' + ƒ = mγ = 0
v (prise comme valeur constante)
γ = dv/dt = 0
P- P' – ƒ = 0 après projection.
P = P' + ƒ ou encore p - P' = ƒ
4/3 π r
3
(ρ - ρ
°
) g = 6 π ŋ r v
r
2
= 9 ŋ v / 2 (ρ - ρ
°
)g
figure15 : dispositif de Millikan