1

L ’ATOME

2

1 ) Les premiers modèles de l ’atome

1.1) La découverte des particules fondamentales

1.1.1 ) La découverte de l ’électron .

Cathode Anode

Vers pompe à vide

Rayons cathodiques Fluorescence du verre

- +V

Expérience de Jean Perrin (1870-1942)

3

Expérience de Joseph Thomson (1856-1940)

J. Thomson étudie la trajectoire des électrons dans un champ magnétique et en déduit la valeur du rapport charge sur masse .

4

Expérience de Robert Millikan (1868-1953)

U

C +

C ’ -

Ef

P

gmP

Eqf

5

Caractéristiques de l ’électron

masse : m = 9,110.10-31 kg, ou 0,00055 u *

charge : - e = - 1,602.10-19 C ( coulomb )

(*) 1 u ( unité de masse atomique) = 1/12 de la masse du nucléide C12

6

6

1.1.2 ) La découverte des noyaux et des nucléons

Expérience de Ernest Rutherford (1871-1937)

Feuille d ’or

Ecran fluorescent

Emetteur de particules

7

Interprétation de l ’expérience de Rutherford (1871-1937)

8

1.1.3 ) La découverte du proton et du neutron

C ’est encore Rutherford qui en 1919 met en évidence l ’existence du proton en « démolissant » des noyaux d ’azote .

Il place un petit morceau de substance radioactive ( polonium) dans une atmosphère d ’azote . Les particules alpha émises par la substance radioactive sillonnent le gaz et certaines atteignent des noyaux d ’azote .

En étudiant les atomes du gaz soumis à un champ magnétique , Rutherford montra que des particules portant une charge positive, égale en valeur absolue à celle de l ’électron, apparaissaient dans le gaz d ’azote . De plus leur masse était pratiquement identique à celle de l ’atome d ’hydrogène .

OHNHe 17

8

1

1

14

7

4

2

Rutherford réalise à cette occasion la première transmutation d  ’élément .

Expérience

9

La découverte du neutron est une conséquence des réactions de transmutation, analogues à celle décrite précédemment .

En effet l ’atome d ’oxygène produit par cette réaction nucléaire n ’est pas identique à l ’atome d ’oxygène naturel ?

OHNHe 17

8

1

1

14

7

4

2

L ’atome d ’oxygène naturel a une masse atomique de 16 alors que celui obtenu par la réaction de Rutherford a une masse de 17 . Les deux noyaux ont la même charge mais des masses différentes ( ce sont des isotopes ) . Les noyaux comportent autre chose que des protons .

Ce nouveau constituant du noyau, le neutron, est mis en évidence en 1932 par James Chadwick (1891-1974)

10

Les caractéristiques du proton et du neutron

Caractéristiques du proton et du neutron

Proton Neutron

masse 1,672410-27 kg1,00727 u

1,674710-27 kg1,00866 u

charge 1,6021910-19 C+ e

0

11

1.2) Le modèle de Rutherford

1.2.1. Description

un noyau , dans lequel est concentrée presque toute sa masse, et chargé positivement : lenoyau contient .

N neutrons

Z protons

Z ? numéro atomique

Z + N ? A : nombre de masse

Charge totale du noyau ? + Ze

des électrons, qui évoluent autour du noyau dans un espace très grand par rapport au diamètre de ce noyau .

L ’atome étant électriquement neutre le noyau est entouré par ? Z électrons

L ’atome se compose de :

12

1.2.2. Conséquences

L ’élément : un élément est l ’ensemble des atomes ou ions ayant le même numéro atomique Z ( même nombre de protons) .

Chaque élément possède un symbole : C, O, H

Le nucléide : un nucléide est l ’ensemble des atomes dont les noyaux contiennent le le même nombre de protons et le même nombre de neutrons . Un nucléide est caractérisépar le couple des valeurs de Z et N .

C126 C13

6 C146 C14

7

Les trois premiers atomes sont des nucléides du même élément : ce sont des isotopes.

On appelle isotopes d ’un élément , des nucléides qui ont le même nombre de protons mais qui ont un nombre différent de neutrons .

N147

13

masse atomique relative Ar :

Intérêt : il est beaucoup plus intéressant pour le chimiste de comparer entre elles les massesdes différents atomes que de connaître les masses réelles de ces mêmes atomes .

Le nucléide de référence est l ’isotope le plus abondant de l ’élément carbone c ’est à dire :

C126

Il lui a été attribué une masse de 12,00000 ce qui revient à dire que l ’unité de masse atomique (u.m.a. symbole u) représente le 1/12 de la masse d ’un atomede carbone 12 .

valeur absolue de l ’u.m.a. : 1,66710-27 kg : elle est très légèrement inférieure à la massed ’un nucléon.

exemple : Ar (K) = 39,102 u .

Question : la classification périodique des éléments donne Ar (C) = 12,011 u !Proposer une explication .

L ’élément carbone est un mélange de deux isotopes stables :

C126

de masse atomique relative 12,0000

C136

de masse atomique relative 13,0030

Les abondances relatives de ces deux istopes, en nombre d ’atomes ,sont respectivement de 98,89% et de 1,11%

La masse atomique relative de l ’élément est donc une moyennepondérée des masses atomiques relatives des deux isotopes .

14

Nombre de masse A : nombre total de nucléons : Z+N

Masse atomique relative d ’un nucléide Ar

Masse atomique relative d ’un élément , moyenne pondérée des masses atomiques relatives des isotopes stables de cet élément .

Masse molaire atomique d ’un nucléide qui est la masse d ’une mole d ’atomes de ce nucléide exprimée en g.mol-1 .

Numériquement , la masse molaire atomique d ’un nucléide est égale à sa masseatomique relative

La mole est l’unité de quantité de matière : c’est la quantité de matière qui contient autant de particules qu’il y a d’atomes dans 12 g de carbone 12 : ce nombre de particules est le nombre d ’Avogadro : NA = 6,0221023 mol-1 .

15

L ’expérience de Rutherford de 1919 .

Il utilise un dispositif mis au point par Charles Wilson (1869-1922)

La partie essentielle de ce dispositif est une enceinte remplie d ’une atmosphère sursaturée en vapeur d ’eau . Dans une telle atmosphère toute particule ionisée constitue un centre de condensation . Une particule ionisée en mouvement laisse donc une trace de fines gouttelettes d ’eau .

Retour

16

L ’expérience de Chadwick de 1932 .

Il utilise aussi le dispositif mis au point par Charles Wilson (1869-1922)

Retour

L ’expérience de Chadwick consiste à bombarder des atomes de béryllium avec des particules alpha . Il constate alors que la trajectoire de certains ions du gaz est déviéepar une particule qui ne laisse aucune trace .

C ’est donc que cette particule est électriquement neutre . L ’étude des déviations observées montre que cette nouvelle particule ( le neutron ) a une masse proche de celle du proton ( légèrement supérieure ) .

nCBeHe 10

126

94

42