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Le modèle de l’atome Ce cours est très long, les commentaires sont écrits en bleu Qu’est-ce qu’on obtient lorsque l’on coupe indéfiniment un grain de sable ?

I.Histoire du concept de l’atome

I.a. Deux sortes de charges électriques La matière est constituée de charges électriques positives et négatives. La matière est électriquement neutre. Expérience du scotch

Démocrite d'Abdère (vers 460-370 av. J.-C.), expliquait que la matière était constituée de corpuscules (les atomes) en perpétuel mouvement et dotés de qualités idéales; ces corpuscules étaient:

� Invisibles à cause de leur extrême petitesse � Insécables ou indivisibles comme leur nom l'indique � Pleins (pas de vide à l'intérieur) � Eternels car parfaits � Entourés d'un espace vide (pour expliquer le mouvement et les changements de

densité) � Ayant une infinité de formes (pour expliquer la diversité observée dans la nature)

I.b. Théorie des 4 éléments Au IVe siècle avant Jésus-Christ, Empédocle propose cette théorie: l'Univers est formé de quatre éléments: la terre, l'eau, l'air et le feu. Aristote adopte l'idée d'Empédocle qui constitue le modèle continu de la matière. Il s'oppose à la théorie de Démocrite, car il nie l'existence du vide associé à la discontinuité de la matière. Il évoque aussi que l'air et le feu ne peuvent pas être composés de particules, car ces deux substances s'élèvent dans le ciel et ne retombent pas au sol comme tous les objets solides. Aristote renforce la «théorie des quatre éléments» d'Empédocle en attribuant des qualités à chacun des quatre éléments fondamentaux: froid, sec, chaud et humide. Ces caractéristiques, accolées deux à deux, forment ces éléments. Ceux-ci, à leur tour, composent l'Univers entier. Cette théorie parvient à expliquer plusieurs phénomènes physiques. Aujourd'hui, nous savons qu'Aristote fut considéré comme le plus grand philosophe et le détenteur de la vérité en Occident durant plusieurs siècles. Ses écrits couvrirent la totalité du

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savoir de l'époque. Son influence se fit sentir dans tous les domaines (politique, sciences, philosophie, théologie, éthique, rhétorique, etc.) C'est fort probablement pour cette raison que sa théorie fut adoptée à l'unanimité par les penseurs de l'époque, au détriment du modèle de Démocrite, qui se rapprochait beaucoup plus du modèle considéré aujourd'hui. Ce n'est qu'au début du XIXe que la théorie atomique de Démocrite refit surface avec John Dalton. Il aura fallu attendre plus de 2 000 ans avant de sortir de l'impérialisme de la pensée d'Aristote. En résumé, la conception de la matière selon Aristote:

� La matière est continue et uniforme (théorie de la continuité de la matière).

� La matière est composée de quatre éléments: terre, air, eau, feu.

� Les quatre caractéristiques fondamentales sont: froid, sec, chaud, humide.

� Le vide n'existe pas.

I.c. Les alchimistes

Née au Moyen-Age, l'alchimie est née des progrès de la métallurgie et de l'insuffisance de la théorie des 4 éléments à représenter la diversité de la matière.

Le grand dessein de l'alchimie était d'obtenir la transmutation des métaux "vils" (tels que le cuivre) en métaux "nobles" tels que l'or. Sans doute parce que le succès du "Grand Oeuvre" (la transmutation) ouvrait des perspectives de richesse et de pouvoir, l'activité des alchimistes s'entourait de secret et s'inscrivait dans une démarche très ancienne d'ésotérisme et d'occultisme.

La démarche de l'alchimie (comme celle de l'astrologie d'ailleurs) établissait des liens symboliques qui unissaient le microcosme au macrocosme (monde des planètes). Par exemple, l'élément Plomb était associé à la planète Saturne car celle-ci nous apparaît d'une couleur jaune "plombée". Malgré leur croyance ésotérique, les alchimistes développèrent l'observation, l'expérimentation, la mesure et la classification des éléments: l'alchimie est donc un précurseur respectable de la chimie. D'ailleurs n'oublions pas que Newton en fut adepte et que la physique actuelle a réalisé le vieux rêve de la transmutation en transformant certains atomes en d'autres.

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C'est en 1669 que l'alchimiste allemand Henning BRAND (ci-dessus) découvrit le phosphore en cherchant à extraire la pierre philosophale de l'urine humaine. L'extraction à partir de l'urine fut à nouveau utilisée par Johann KUNCKEL en Allemagne et Robert BOYLE en Angleterre. Au XVIIIème siècle, Carl Wilhelm SCHEELE mit au point le procédé de préparation à partir des os d'animaux, procédé qui porte maintenant son nom. Ce n'est qu'à partir de 1838 que le phosphore commença à être préparé industriellement.

� C’est un poison. � Le phosphore s'enflamme spontanément dans l'air à partir de 34°C.

Il faut le conserver dans des fûts remplis d'eau.

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I.d. Expérience de Lavoisier et Laplace, juin 1783.(décomposition de l’eau)

1776 Lavoisier analyse l’air.

• Oxydation du mercure, l’eau monte dans le tube toujours au même niveau.

• Lorsqu’on met un animal dans le volume restant celui-ci meurt. Conclusion l’air est composé de deux gaz dont un indispensable à la vie. L’air n’est donc pas un élément.

1776 Lavoisier décompose l’eau.

L’eau n’est donc pas un élément. Lavoisier troisième.wmv

Juin 1783 Lavoisier et Laplace décomposent l’eau en deux gaz l’un inflammable et l’autre vitale l’eau n’est donc pas un élément 1785 Lavoisier réalise la synthèse de l’eau avec de l’hydrogène et de l’oxygène.

• La pile à combustible

I.e. Découverte de la première charge électrique par W.Crookes et J Perrin : l’électron.

En 1895 Jean Perrin (1870-1942) met en évidence des particules chargées négativement : les électrons

Eau avec une solution d’hydroxyde de sodium (Na+ + OH- )

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En 1895, le physicien allemand Wilhem Conrad Röntgen (1845-1923) commence une série d'expériences qui ont pour but d'étudier la pénétration des rayons cathodiques dans le verre. Röntgen enveloppe le tube cathodique d'un papier noir opaque pour ne pas être dérangé par sa lumière émise. En branchant la haute tension, il observe qu'un écran en carton recouvert de platinocyanure de baryum fluorescent, situé à plus de deux mètres du tube cathodique, émet une lueur verdâtre (fluorescence). Le phénomène arrête dès que le courant est coupé. Le physicien refait l'expérience en reculant l'écran de plusieurs centimètres. Le même phénomène se produit de nouveau. Il en déduit donc que cet effet ne peut pas être dû aux rayons cathodiques eux-mêmes. Un rayonnement invisible, inconnu, semble traverser le papier noir du tube cathodique pour aller exciter la fluorescence de l'écran. Ces rayons sont-ils vraiment pénétrants, peuvent-ils véritablement traverser la matière? Pour répondre à ses interrogations, il décide de placer divers objets entre le tube cathodique et l'écran fluorescent: une feuille de papier, de carton, d'aluminium, du bois, du verre, du caoutchouc... Il constate que la fluorescence persiste. En plaçant sa main entre le tube et l'écran, il en voit le squelette projeté sur l'écran. Il constate cependant qu'une mince feuille de plomb ou de platine fait disparaître complètement cette fluorescence. Pour convaincre les gens de la réalité de ce qu'il voit, il enregistre ces images sur des plaques photographiques (ensemble de poids enfermés dans une boîte, boussole dont l'aiguille est complètement enfermée dans du métal, etc.). Ne sachant comment baptiser ces rayons invisibles et pénétrants, Röntgen les nomme «rayons X». Ce qui lui vaut le prix Nobel de physique en 1901. Il observe aussi que ces rayons ne sont pas déviés par un champ magnétique, donc qu'ils ne portent pas de charge électrique. Ils sont donc différents des rayons cathodiques observés Jean-Baptiste Perrin la même année. Ces derniers étaient déviés par un champ magnétique et J. J. Thomson démontrera qu'ils le seront aussi par un champ électrique.

Expérience de Jean Perrin (1870-1942) en 1895

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On apprendra plus tard que les rayons X sont des ondes électromagnétiques de même nature que celles de la lumière visible. Leur vitesse est identique, mais leur longueur d'onde est beaucoup plus courte. Ils contiennent donc beaucoup plus d'énergie. Les rayons X vont rapidement conduire à une connaissance plus approfondie de l'atome. Un an après leur découverte, le Français Henri Becquerel tentera de voir si un sel d'uranium émet des rayons X lorsqu'il est exposé à la lumière. Il fera une autre découverte très surprenante et spectaculaire: la radioactivité naturelle.

En 1897 joseph John Thomson (1856 -1940) prouve que ces particules (électrons) sont identiques quelque soit la nature de la cathode ou du gaz. Ces électrons sont des constituants universels de toute matière.

En 1904, il propose un premier modèle d'atome, surnommé depuis "le pudding de Thompson". Il imagine l'atome comme une sphère remplie d'une substance électriquement positive et fourrée d'électrons négatifs "comme des raisins dans un cake".

Modèle de l’atome d’après Thomson Rutherford Ernest (1871-1937) travail sur l’uranium et découvre la radio activité alpha. Il reste à découvrir encore au moins une particule pour compenser la charge négative de l’électron. C’est ce que va réaliser Rutherford

Ci contre l’expérience en 1895 de Wilhem Rontgen(1845-1923)

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I.f. Découverte de la seconde charge électrique Peu après la découverte de la radioactivité, le physicien anglais d'origine néo-zélandaise, Ernest Rutherford, fera deux découvertes d'une importance capitale dans la recherche de la structure de l'atome.

Première découverte En 1898, il démontre que les substances radioactives émettent deux types de radiations: alpha (a) et bêta (b). En 1900, le Français Paul Villard identifie le rayon gamma(g).

En 1902, à l'Université McGill de Montréal, Rutherford et le physicien anglais Frederick Soddy découvrent que la radioactivité est le résultat de la désintégration du noyau de l'atome au cours de laquelle il y a production de trois sortes de rayonnements.

� Les particules alpha (a) sont des noyaux d'atomes d'hélium (2 protons et 2 neutrons) dotés d'un faible pouvoir de pénétration. Elles sont arrêtées par une simple feuille de papier. Dans un champ électrique, les rayons dévient vers le pôle négatif. Leur charge est donc positive (2+).

� Les particules bêta (b) sont des électrons ayant un pouvoir de pénétration plus puissant que celui des particules alpha. Elles ne peuvent toutefois pas traverser une planche de bois de 2,5 cm d'épaisseur. Dans un champ électrique, les rayons dévient vers le pôle positif. Leur charge est donc négative (1-).

� Les rayons gamma (g) sont une onde électromagnétique du même type que les rayons X et la lumière. Cependant, leur longueur d'onde est encore plus petite que celle des rayons X et possèdent beaucoup plus d'énergie. Ces rayons n'ont pas de charge électrique et possèdent un très puissant pouvoir de pénétration. Seuls les blocs de béton ou de plomb d'un mètre d'épaisseur peuvent les arrêter.

Deuxième découverte

En 1907, J.J. Thomson demande à son élève Rutherford de vérifier l'exactitude de son modèle atomique. Rutherford accepte d'approfondir la théorie du «Plum-Pudding» de Thomson et il veut étudier davantage la structure interne de l'atome. Avec l'aide de deux assistants, Hans Geiger et Ernest Marsden, il décide d'utiliser les particules alpha, très petites et très rapides, qu'il a découvertes pour bombarder une feuille d'or très mince (il utilise l'or, car ses atomes sont très lourds). Il s'attend à l'un ou l'autre de ces comportements: ou toutes les particules traversent la feuille d'or, ou aucune d'elles ne la traverse puisque la matière est homogène.

Expérience de Rutherford

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Explication du montage

Dans cette expérience, les particules alpha sont produites à partir d'un échantillon de radium radioactif enfermé dans une enceinte de plomb. Elles sont polarisées en un seul faisceau par une fine fente dans le bouclier de plomb. Des écrans fluorescents sont placés derrière la feuille d'or et en avant de celle-ci (en angle bien sûr, afin de ne pas freiner le passage du faisceau). Ces écrans émettent une scintillation (un point brillant) lorsqu'ils sont atteints par une particule alpha. Ils permettent donc de suivre la trajectoire des particules.

Les observations de Rutherford et ses assistants:

� La plupart des particules alpha traversent la feuille d'or sans déviation comme si elles n'avaient jamais rencontré les atomes d'or

� Plusieurs particules alpha sont légèrement déviées lors de la traversée de la feuille d'or � Certaines particules alpha rebondissent carrément vers la source comme si elles

avaient frappé un mur. � La déviation des particules alpha est d'autant plus importante que la masse atomique

du métal composant la feuille est élevée.

Ces faits vont complètement à l'encontre des attentes de Rutherford. Très surpris, il s'exclame: «C'est aussi peu croyable que si nous avions tiré un obus sur du papier de soie et que l'obus nous soit revenu en pleine figure.»

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Conclusion :

� Rutherford en déduit que cette déviation de particules alpha positives ne peut résulter que de la présence d'un corps chargé positivement (puisqu'il y eu répulsion).

� De plus, puisque la majorité des particules alpha ne sont pas déviées, c'est qu'elles ne rencontrent pas de matière, donc que la majeure partie des atomes est vide.

En 1911, Rutherford propose son modèle atomique:

� L'atome offre des espaces vides immenses. � Le centre de l'atome, qu'il nomme «noyau» est minuscule et dense. Il

est chargé positivement. � Les électrons négatifs circulent autour du noyau à une très grande

vitesse et se déplacent jusqu'à des distances très éloignées du noyau (si nous imaginons la taille du stade olympique de Montréal, le noyau ne serait pas plus gros qu'une mouche!). Ces derniers sont retenus au noyau par des forces électriques.

� La somme des charges des électrons est égale à la charge du noyau, l'atome étant électriquement neutre.

Rutherford compare l'atome à un minuscule système solaire où des électrons (planètes) gravitent autour d'un noyau central (Soleil).

Ci-dessus représentation du noyau d’un atome (point noir) et des trajectoires des particules α

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Les électrons de l'atome se déplacent autour de ce noyau tels des planètes autour du Soleil, et la force électrique attractive (la charge - de l'électron attirant la charge + du noyau) joue le rôle de la force de gravitation pour les planètes; d'où le nom de modèle d'atome planétaire. A noter que contrairement à l'atome des Grecs, celui de Rutherford n'est ni indivisible (puisque composite), ni plein puisqu'il contient essentiellement du vide: La distance noyau-électrons est 100.000 fois plus grande que le diamètre du noyau lui même (diamètre du noyau = 10-15 mètre = 1 Fermi).

Modèle de l’atome d’après Rutherford

I.g. Découverte des nucléons

En 1919, Rutherford utilisera les particules alpha pour provoquer la première désintégration artificielle de l'atome en transmuant des atomes d'azote en atome d'hydrogène. Les véritables réactions nucléaires verront ainsi le jour. Le noyau d'hydrogène produit recevra le nom de proton, particule positive du noyau. Ce proton a une masse environ 1836 fois plus élevée que celle de l'électron.

Ce grand scientifique participera avec Chadwick à la fabrication de la première bombe atomique. Il s'opposera cependant au caractère secret de ce projet et redoutera les conséquences de ce développement destructeur.

L'atome, l'électron et le proton sont maintenant connus. Mais il reste encore quelques mystères. En fait, ce nouveau modèle planétaire va à l'encontre des lois de la physique. Comment expliquer que les électrons puissent graviter autour du noyau positif de l'atome sans jamais s'écraser dessus? Comment se déplacent-ils autour du noyau? Quelle est leur distribution? Comment les protons chargés positivement surmontent-ils la force de répulsion électrique qui devrait normalement les éloigner les uns des autres et provoquer l'éclatement du noyau? Les réponses viendront de Niels Bohr et de James Chadwick.

Rutherford comprend que le noyau est lui-même composé de nucléons. Ces nucléons sont de deux sortes:

� de charge positive, c'est un proton. � de charge neutre, c'est un neutron

Le neutron sera effectivement découvert en 1932 par Chadwick

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II.Les atomes

II.a. Structure et dimension d’un atome • Chaque électron porte une charge élémentaire –e (e =1,602 10 -19C ) • Chaque noyau porte la charge positive Z × e, où Z est le nombre de protons.(un

proton porte la charge élémentaire +e) • L’atome est électriquement neutre.

L’atome d’hydrogène

Electron noyau atome

Charge en coulombs -e +e 0

Masse en kg 9.1*10-31 10-27

Dimension en mètres Non mesurable 10-15 m 10-10 m

L’atome de carbone.

Electron (-e)

Noyau (+e)

6 Electrons (-6e)

Noyau (+6e)

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II.b. Conclusion de l’expérience de Rutherford. 1) Donner un ordre de grandeur de la taille d’un noyau. Rnoyau=………….. 2) Donner un ordre de grandeur de la taille d’un atome. Ratome=…………… 3) Calculer le volume du noyau Vnoyau et le volume de l’atome Vatome.

Le volume d’une sphère est donnée par la formule :V=(4/3)*π*R3 , ou V est le volume et R le rayon. Vnoyau =…………….. Vatome.=………………..

4) Calculer le rapport Vnoyau / Vatome. 5) En déduire la proportion en pourcentage du volume du noyau par rapport au volume

de l’atome. 6) Que trouve t-on entre le noyau et les électrons ? 7) En déduire le pourcentage de vide dans un atome.

1) Rnoyau= 10-15 m 2) Ratome= 10-10 m 3) Vnoyau=4*10-45 m3. ;Vatome=4*10-30 m3 4) Vnoyau / Vatome = 10-15 5) Le volume du noyau représente 10-13 % du volume du noyau.(0.000 000 000 000 1%) 6) 100% - 0.000 000 000 000 1% =99.999 999 999 999 9 % 7) Entre le noyau et les électrons il y a du vide. 8) Un atome est constitué à 99.999 999 999 999 9 % de vide.

Electron Noyau Atome

Charge en coulombs 6 électrons charge totale –6e

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Constituants de l’atome (voir livre P65 et 66)

II.c. Le noyau

Nucléons Quantité : A

Proton neutron

Masse mp 1,673.10 -27 kg Masse mn 1,675.10-27 kg

Charge en Coulomb

1,9.10-19 C Charge en Coulomb

0 C

Quantité de protons

Z Quantité de neutrons

A-Z

A et Z sont des entiers naturels ( 0,1,2,3…)

II.d. Les électrons Les électrons possèdent une charge négative égale à – e, soit égale à –1,6.10—19 C La masse de l’électron me- est de l’ordre de 9,1.10—31 kg

III.Composition de l’atome

III.a. Représentation symbolique

Symbole chimique

nom

Z (nombre de protons ou numéro

atomique)

A (nombre de nucléons ou nombre de

masse)

Nombre de neutron

A-Z

H Hydrogène 1 1 0 C Carbone 6 12 6 O Oxygène 8 16 8 Fe Fer 26 56 30 Cu Cuivre 29 63 34 Zn Zinc 30 65 35 Cl Chlore 17 35 18 Na Sodium 11 23 12

Noyau d’un atome, les électrons tournent autour très très loin du noyau on ne les voit pas sur ce schéma.

10-15 m

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Au Or 79 197 118

III.b. Masse d’un atome La masse approchée d’un atome est égale à la somme des masses des particules qui le composent :

� Z protons � A-Z neutrons � Z électrons (négligeable)