Module de démonstration « Voir » l’atome · 2019-04-08 · physique. L’objectif de ce module de démonstration est d’offrir des montages permettant de mieux visualiser certaines

Modulededémonstration

© Crédits: Mathieu Riopel et Patrick Ferland, Cégep Garneau. 1

«Voir»l’atome

1. Aperçu La présentation de l’évolution des différents modèles de l’atome constitue un élément central du programme de Sciences de la nature que l’on retrouve autant dans les cours de chimie que de physique. L’objectif de ce module de démonstration est d’offrir des montages permettant de mieux visualiser certaines idées en lien avec différents modèles de l’atome. Certains montages proposés font référence à des expériences importantes qui ont permis de percer les mystères de l’atome (mouvement brownien et spectroscopie), tandis que d’autres offrent une représentation physique de certains concepts abstraits concernant l’atome (orbitales, niveaux d’énergie).

Également, les contextes historiques et culturels qui se retrouvent dans ce document proposent certaines idées pour ancrer les concepts enseignés à propos de l’atome dans leur contexte d’élaboration. Quelques textes en référence proposent aussi une réflexion sur certaines particularités et limites des représentations scientifiques et populaires de l’atome et discutent dans quelle mesure il est possible de « voir » l’atome.

Si, dans un cataclysme, toute notre connaissance scientifique devait être détruite et qu'une seule phrase passe aux générations futures, quelle affirmation contiendrait le maximum d'informations dans le minimum de mots ? Je pense que c'est l'hypothèse atomique (ou le fait atomique, ou tout autre nom que vous voudrez lui donner) que toutes les choses sont faites d'atomes - petites particules qui se déplacent en mouvement perpétuel, s'attirant mutuellement à petite distance les unes les autres et se repoussant lorsque l'on veut les faire se pénétrer. Dans cette seule phrase, vous verrez qu'il y a une énorme quantité d'information sur le monde, si on lui applique un peu d'imagination et de réflexion. Feynman, R.P., Leighton, R.B. et Sands, M. (1963). Le cours de physique de Feynman. éd. InterEditions, 1979 (ISBN 2-7296-0026-4), vol. Mécanique 1, chap. 1 Atomes en mouvement, 2, p. 49

2. Liens avec le programme de Sciences de la nature 203-NYC-05 – Ondes et physique moderne

- Les modèles atomiques - Les spectres de raies - La dualité onde-particule

202-NYA-05 – Chimie générale - Appliquer le modèle probabiliste de l’atome à l’analyse des propriétés des éléments

Buts généraux du programme - Établir des liens entre la science, la technologie et l’évolution de la société;

- Situer le contexte d’émergence et d’élaboration des concepts scientifiques;

3. Repères historiques et culturels

Le mouvement brownien et l’hypothèse atomique Le mouvement brownien est fréquemment présenté come l’une des premières observations scientifiques ayant mené à l’acceptation de l’idée de l’atome. Les premières observations de ce mouvement sont réalisées en 1827 par Robert Brown. Il remarque que certaines particules en suspension provenant de grains de pollen présentent un mouvement irrégulier et aléatoire1. Croyant


d’abord qu’il s’agit d’une particularité des organismes vivants, il étend ses observations à d’autres substances organiques. À son grand étonnement, il réalise toutefois que même des particules inorganiques en suspension peuvent présenter ce même type de mouvement de tremblement incessant. Une explication satisfaisante de ce phénomène n’est fournie que plusieurs décénies plus tard. Au tout début du XXe siècle, alors que l’hypothèse de l’atome est encore chaudement débatue dans la comunauté scientifique, le jeune Albert Einstein suggère que le mouvement aléatoire observé par Robert Brown est causé par les chocs incessant entre les « grosses » particules en suspension et les « petites » molécules du fluide environnant. Les prédictions d’Einstein, que l’on retrouve dans l’un des nombreux articles qu’il publia en 1905, seront confirmés peu de temps après par Jean Perrin qui présenta en 1913, dans son livre Les atomes, une synthèse de différentes expériences convergeant toutes vers une même valeur du nombre d’Avogadro et qui acheva de convaincre la majorité des scientifique de la validité de l’hypothèse de l’atome. 1. Layton, D. (1965). The original observations of Brownian motion, J. Chem. Educ., no 42 (7), p: 367.

Plusieurs ouvrages de référence et manuels indiquent de façon erronée que Robert Brown aurait observé le mouvement de grains de pollen en suspension. Ce sont plutôt de petites particules contenues à l’intérieur des grains de pollen, probablement des granules cytoplasmiques, qui auraient été observées. Cet article offre ainsi des précisions sur les observations originales de Brown afin d’éviter certaines confusions largement véhiculées à propos du mouvement Brownien.

La spectroscopie Les observations réalisées grâce à la spectroscopie furent essentielles à l’élaboration des premiers modèles de l’atome. Le succès du modèle de Bohr fut d’ailleurs de fournir une base théorique aux mesures des différentes raies spectrales de l’hydrogène. Cette technique qui allait permettre de mieux comprendre les mystères de la matière et qui ouvrirait la voie à l’astrophysique moderne, est le fruit du travail d’un artisan du verre, Joseph von Fraunhofer. 1. Ferguson, K. (2014). The Glassmaker Who Sparked Astrophysics, Nautilus, [Disponible en ligne :

http://nautil.us/issue/11/light/the-glassmaker-who-sparked-astrophysics]

Cet article raconte l’histoire singulière de Fraunhofer et situe l’importance de la spectroscopie dans le développement de notre compréhension de l’atome, des étoiles et de l’origine de l’Univers.

L’évolution des modèles de l’atome Le XXe siècle fut marqué par des développements fulgurants dans notre compréhension de la matière. Alors qu’au début de ce siècle, l’idée d’atome ne faisait toujours pas consensus dans la communauté scientifique, à peu près personne ne la mettrait en doute aujourd’hui. Ce concept a toutefois beaucoup évolué au fil du temps. Pour arriver à comprendre cet objet à la fois si près de nous et si éloigné de nos sens et perceptions, la science a développé un ensemble de modèles. Du pain au raisin de Thomson au modèle de la physique quantique, en passant par le modèle planétaire de Bohr, chaque image que l’on se fait de l’atome peut s’avérer utile dans certains contextes précis, mais possède aussi

Trois tracés présentant des observations du mouvement Brownien réalisés par Jean Perrin.

Les raies de Fraunhofer observables dans le spectre d’émission du Soleil


ses limites. Les trois textes suivants proposent une certaine réflexion sur les multiples représentations que l’on se fait de l’atome. On y discute des limites de ses représentations, de leur évolution au fil du temps et de leur impact dans la culture populaire. 1. Klein, E. (2008). Les secrets de la matière. Librio.

Le premier chapitre de ce petit livre, L’atome : de l’idée à la découverte (pages :7 à 25), présente brièvement l’évolution de l’idée de l’atome, de l’hypothèse des atomistes de l’antiquité, jusqu’au modèle actuel de la mécanique quantique. L’auteur discute des limites que l’on rencontre lorsqu’on tente de se figurer une image de l’atome.

2. Pestre, D. (2015). Histoire des sciences et des savoirs. Tome 3 : Le siècle des technosciences. Éditions du Seuil.

Le chapitre 8 de ce tome, Le siècle de l’atome en images, propose une réflexion sur l’évolution et l’impact de la représentation de l’atome autant dans la culture scientifique que populaire. De l’atome-sphère à la microscopie par effet tunnel, en passant par les photos de champignon atomique, l’auteure présente les iconographies multiples qui ont été associées à l’atome en les mettant en relation dans leur contexte social.

3. Gingras, Y. (2008). Parlons sciences. Boréal.

Le chapitre 5 (pages : 46 à 56) de ce recueil d’entretiens entre Yves Gingras et Yannick Villedieu tirés de l’émission de radio Les années Lumières, présente l’évolution des modèles atomiques. L’auteur y discute plus particulièrement des interactions entre la chimie et la physique qui ont menées au développement de notre modèle actuel de la structure de la matière.

4. Concepts de chimie et de physique La description des différents modèles atomiques ainsi que leur évolution fait partie du contenu des cours Chimie générale (202-NYA-05) et Ondes et physique moderne (203-NYC-05). Toutefois, la façon d’aborder ces idées se distinguent dans chacun de ces cours.

Le cours de Chimie générale insiste davantage sur la présentation et des différents modèles atomiques (Thomson, Rutherford, Bohr, quantique) ainsi que les résultats expérimentaux et hypothèses qui ont permis leur élaboration. En physique, les enseignants présentent généralement le développement théorique du modèle de Bohr (force de Coulomb, mouvement de rotation, postulats de Bohr) qui permet de déduire la valeur des différents niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène. Aussi, bien que l’hypothèse de de Broglie et le modèle quantique de l’atome soient abordés dans chacun des deux cours, le programme du cours de chimie développe plus en détail les notions d’orbitale et de nombre quantique. La spectroscopie est abordée dans chacun de ces cours. On retrouve dans le cours de physique des notions en lien avec l’optique (prisme, réseau de diffraction) qui permettent d’élaborer davantage sur la technique de spectroscopie optique.

Références Will, J.W. (2008). Chimie des solutions, 2e édition. ERPI.

Le chapitre 4 de ce manuel porte sur la structure de l’atome. On y discute des différents modèles de l’atome, de la spectroscopie, de la nature quantique de la lumière et de la matière ainsi que du modèle quantique de l’atome.

Benson, H. (2015). Ondes, optique et physique moderne, 5e édition. ERPI.

Les chapitres 9 et 10 de ce manuel réfèrent aux débuts de la théorie quantique et à la mécanique quantique.


5. Démonstrations

A) Le mouvement Brownien (modèle à grande échelle) Matériel nécessaire • Générateur d’ondes mécaniques – Pasco SF-9324 • Récipient au fond plat sur lequel un connecteur

banane est fixé. Ce connecteur permet d’installer le récipient sur le générateur d’ondes mécaniques.

• Petites boules de styromousse (environ 4 mm de diamètre).

• Petites billes de plastique (servant habituellement à fabriquer des colliers).

• Générateur de fonction et câbles de branchement. Précisions techniques Ce montage permet de reproduire à plus grande échelle un mouvement s’apparentant au mouvement Brownien. Un générateur d’ondes mécaniques est utilisé pour agiter des petites billes de plastique. Le mouvement de ces billes illustre l’agitation thermique de petites molécules. On dépose ensuite des petites boules de styromousse sur les billes en plastique. Ces boules représentent des plus grosses particules en suspension (comme les particules provenant des grains de pollen dans l’expérience de Robert Brown). Le mouvement des boules de styromousse en suspension sur les petites billes devrait s’apparenter au mouvement Brownien, c’est-à-dire que les boules de styromousse devraient changer de direction de façon irrégulière et aléatoire.

Le fonctionnement de la démonstration dépend du bon réglage du générateur de fonction, qui met en mouvement le générateur d’ondes mécaniques. Avec le matériel illustré sur la photo ci-contre, nous avons observé que le fonctionnement optimal était obtenu en réglant le générateur de fonction pour produire des ondes carrées à une fréquence d’environ 30 Hz. Il est important que le système soit bien au niveau afin que les petites billes se repartissent de façon uniforme au fond du récipient. Comme le montage est plutôt petit, il peut être nécessaire de filmer le montage avec une caméra et de projeter le résultat à la classe.

Suggestions de mise en œuvre Cette démonstration fournie aux étudiants une image concrète du mouvement Brownien et permet à l’enseignant de situer le lien entre cette expérience historique et l’hypothèse atomique. On peut d’abord situer le contexte historique des observations du phénomène par Robert Brown. L’enseignant peut ensuite expliquer en quoi l’hypothèse atomique permet d’expliquer ce type de mouvement. La démonstration est utile à ce moment puisqu’elle permet de voir que le mouvement irrégulier des grosses particules en suspension (boules de styromousse) est causé par le mouvement des plus petites particules (billes de plastique). Il peut être intéressant de joindre à cette démonstration la présentation d’une vidéo montrant le mouvement Brownien de particules en suspension, captées par un microscope.

Objets nécessaires pour le montage de la démonstration du mouvement Brownien.


B) Les raies spectrales Matériel nécessaire • Montage de démonstration de dix tubes à décharge

contenant différents gaz (photo ci-contre). • Un réseau pour chaque étudiant. On peut aussi utiliser des

lunettes spéciales munies de réseaux à la place des verres.

Précisions techniques Cette démonstration a pour but de montrer aux étudiants le spectre d’émission de différentes substances. Les étudiants observent la lumière émise par différents tubes à décharge à travers un réseau de diffraction. Ils peuvent ainsi constater que la lumière émise par ces tubes est constituée de certaines longueurs d’ondes distinctes pour chacun des gaz.

Suggestions de mise en œuvre Pour réaliser cette démonstration, chaque étudiant doit avoir en main un réseau de diffraction à travers lequel il observe les tubes. Ce montage peut être utilisé pour aborder la question de la spectroscopie. On illustre ainsi que chaque substance possède un spectre d’émission qui lui est propre. Le spectre de raies de longueurs d’ondes précises permet d’aborder la quantification des niveaux électroniques dans l’atome.

Spectre d’émission d’un tube d’hydrogène, tel qu’observé à travers un réseau de diffraction.

Montage fabriqué par le CDSP pour la démonstration des spectres de raies. Dix

tubes à décharge contenant des gaz différents peuvent être allumés à l’aide

d’interupteurs.


C) L’anneau oscillant et l’hypothèse de De Broglie Matériel nécessaire • Générateur d’ondes mécaniques – Pasco SF-9324 • Fil métallique courbé de façon circulaire et attaché à un connecteur

banane (Pasco SF-9405) • Générateur de fonction et câbles de branchement

Précisions techniques Ce montage s’apparente à la démonstration des ondes stationnaires résonantes dans une corde. L’anneau qui est mis en mouvement par le générateur d’ondes mécaniques entre en résonance à certaines fréquences d’oscillation précises. Les seuls modes de résonance possibles sont ceux pour lesquels la circonférence de l’anneau est égal à un multiple impair de demi longueur d’onde.

Suggestions de mise en œuvre Cette démonstration fournit une illustration de l’application de l’hypothèse de de Broglie, à propos de la nature ondulatoire de la matière, au problème de l’atome d’hydrogène. Selon de Broglie, la quantification des niveaux d’énergie dans l’atome d’hydrogène peut être expliquée en supposant qu’une longueur d’onde peut être associée au mouvement d’un électron et que les seules orbites permises pour cet électron dans l’atome d’hydrogène sont celles où la circonférence de cette orbite correspond à un multiple entier de la longueur d’onde de l’électron. Cette condition est très similaire à celle que l’on retrouve lorsqu’on génère des ondes stationnaires résonantes dans un anneau circulaire. La vibration de l’anneau à l’aide du générateur d’ondes mécaniques, perceptible principalement à certaines fréquences de résonance précises, reproduit donc l’idée selon laquelle l’électron ne peut se retrouver qu’à certains niveaux énergétiques précis dans l’atome d’hydrogène. Il est toutefois important de remarquer que selon l’hypothèse de de Broglie, les orbites permises dans l’atome d’hydrogène sont celles où la circonférence correspond à un multiple entier de longueur d’onde. Cette condition est différente pour l’anneau oscillant dont les modes de résonances sont obtenus lorsque la circonférence est un multiple impair de demi longueur d’onde.

D) Les orbitales atomiques Matériel nécessaire • Six gros aimants en anneau et deux petits. • Support à aimants en bois avec couvercle en plexiglas • Limaille de fer • Feuille de papier • Caméra USB (pour projeter les résultats de la démonstration).

Précisions techniques Une démonstration classique en physique consiste à saupoudrer de la limaille de fer autour d’un

circonférence = 3λ/2 circonférence = 5λ/2


barreau aimanté afin de mettre en évidence la configuration du champ magnétique autour de l’aimant. Le montage que nous suggérons utilise la même technique, appliquée à des aimants en forme d’anneaux cylindriques. La configuration du champ magnétique de ce type d’aimant fournit une image ressemblant aux lobes des orbitales atomiques s, p et d. Les différents aimants utilisés pour cette démonstration doivent être fixés afin d’éviter qu’elles se repoussent ou s’attirent. Un montage en bois permet de fixer ces aimants selon différentes configurations. Une plaque de plexiglas est déposée sur le montage en bois. On ajoute ensuite une feuille de papier sur laquelle on saupoudre la limaille de fer. Il est préférable de coller la feuille de papier au plexiglas avec de la gommette. En donnant quelques petits coups avec les doigts sur le montage, la limaille de fer se placera selon la configuration du champ magnétique produit par les aimants.

Suggestions de mise en œuvre Ce montage permet de fournir une illustration tangible des orbitales atomiques et moléculaires ainsi que certaines de leurs caractéristiques. Il est toutefois important de mentionner les limites de cette image aux étudiants. Ainsi, même si les orbitales peuvent avoir des configurations semblables au champ produit par les aimants, le phénomène en jeu est très différent. La limaille de fer illustre le champ magnétique de l’aimant tandis que l’orbitale illustre une probabilité de trouver un électron. L’article suggéré en référence fournit tous les détails supplémentaires pour la mise en œuvre de cette démonstration.

Référence Chakraborty, M. et al. (2014), A Simple Demonstration of Atomic and Molecular Orbitals Using Circular Magnets, Journal of Chemical Education, no 91 p : 1505 - 1507

Le montage que nous proposons a été développé à partir des informations contenues dans cet article. On y retrouve tous les détails nécessaires pour réaliser la démonstration en classe, dont la configuration des aimants requise pour générer différents types d’orbitales.

Matériel utilisé pour la démonstration sur les orbitales atomiques. Les aimants sont fixés sur le montage en bois. On dépose une plaque de plexiglas sur le montage en bois. On fixe une feuille de

papier à la plaque de plexiglas et on y saupoudre de la limaille de fer. On remarque ici le résultat obtenu avec un seul aimant, que l’on peut associer à l’orbitale s.


E) La chambre à bulles Matériel nécessaire • Aquarium • Plaque métallique • Tissus absorbants • Alcool concentré (94%) • Glace sèche dans un cabaret en plastique • Cabaret • Ruban adhésif (Tuck Tape) • Lampe de poche

Précisions techniques La chambre à bulle est utilisée afin de mettre en évidence les trajectoires de particules nucléaires que l’on ne peut directement observer. Le principe de ce système est étonnamment simple et facile à réaliser. On peut l’utiliser pour observer la trace laissée par des particules produites par des substances radioactives et même parvenir à détecter des rayons cosmiques.

Dans une chambre à bulles, on produit une atmosphère de vapeur d’alcool sursaturée. Cette atmosphère est obtenue en refroidissant la base de l’enceinte avec de la glace sèche. Une particule qui traverse la vapeur d’alcool sursaturée laissera une trace de condensation visible à l’œil nu dont les caractéristiques peuvent permettre l’identification de la particule. On peut fabriquer une chambre à bulle avec des matériaux simples et accessibles. On doit d’abord fixer du tissu absorbant ou des éponges au fond d’un aquarium. On imbibe ensuite ce tissu d’alcool concentré. On renverse ensuite l’aquarium et on la fixe à une plaque métallique à l’aide de ruban adhésif (Tuck Tape) de manière à ce que le tout soit bien étanche. On dépose ensuite la plaque métallique et l’aquarium sur de la glace sèche qui servira à refroidir la plaque. Lorsque la plaque sera suffisamment froide, un nuage de vapeur d’alcool sursaturée sera visible. En observant attentivement ce nuage à l’aide d’une lampe de poche, on arrive à observer la trace laissée par des particules nucléaires.

Suggestions de mise en œuvre Cette démonstration permet aux étudiants de « voir » la radioactivité, un phénomène généralement invisible à l’œil nu. L’aspect expérimental de ce montage et l’observation attentive qui est nécessaire pour détecter des particules permet de faire vivre un bon moment de science avec les étudiants. On peut aussi placer une source radioactive à l’intérieur de la chambre à bulle afin de produire un très grand nombre de traces.

Référence Charley, S. (2015). How to Build Your Own Particile Detector, Symmetry Magazine [ Disponible en ligne : http://www.symmetrymagazine.org/article/january-2015/how-to-build-your-own-particle-detector ]

Le montage que nous proposons s’inspire de ce qui est proposé dans cet article. On y retrouve la marche à suivre pour fabriquer une chambre à bulles ainsi que des informations permettant d’analyser les traces observées.

Une chambre à bulle fabriquée à partir de matériaux simples : aquarium, tissus absorbants, plaque métallique,

glace sèche et alcool.

Documents

Module de démonstration « Voir » l’atome · 2019-04-08 · physique. L’objectif de ce module de démonstration est d’offrir des montages permettant de mieux visualiser certaines