CORRIGE du TD n 1 Chapitre 3 : De quoi se compose la matière? Des atomes aux ions. I) Un peu d'histoire : la structure lacunaire de l'atome

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1 CORRIGE du TD n 1 Chapitre 3 : De quoi se compose la matière? Des atomes aux ions I) Un peu d'histoire : la structure lacunaire de l'atome Vers 420 avant JC, Démocrite (philosophe grec) émit l'hypothèse selon laquelle la matière était constituée de grains indivisibles, les atomes et inventa leur nom («atomos» en grec qui signifie insécable). Mais comme aucune expérience ne le prouvait, il fallut attendre le début du XIXéme siècle pour que cette idée reprenne vie. En 1805, John Dalton reprend la Théorie des atomes de Démocrite comme base de travail et imagine les atomes comme des sphères Démocrite pleines de matière. En 1881, J.J. Thomson découvre l'un des composants de l'atome. Il s'agit de particules élémentaires négatives appelées en 1891 électrons. Au début du XXème siècle, l'ambition des physiciens est de proposer un modèle de l'atome en précisant la répartition de la charge électrique à l'intérieur de celui-ci. En 1904, Thomson, partant de l idée que l'atome est électriquement neutre, pense qu'il doit contenir des charges positives qui doivent compenser les charges négatives des électrons. Il suppose que la charge positive est répartie dans un petit volume (qui peut avoir la forme d'une sphère pleine) et qu'elle est parsemée d'électrons (pudding de Thomson). En 1909, Rutherford réalise une expérience (voir ci-dessous) remettant en cause le modèle de Thomson. 1. Proposer un schéma de chacun des modèles de Dalton et de Thomson. II)L'expérience décisive de Rutherford 1) Description de l'expérience En 1909, Rutherford bombarde une feuille d or très fine (épaisseur de 60 m) avec des particules en plaçant des détecteurs fluorescents tout autour de la feuille d or. La particule est un noyau d hélium chargé positivement et dont la

2 taille est bien plus petite que celle des atomes d or. Les détecteurs émettent de la lumière lorsqu'ils reçoivent une particule. Observations : a : Il observe une tâche fluorescente très intense sur le détecteur 1. L intensité lumineuse y est très légèrement inférieure à celle obtenue sans feuille d or. b : Quelques points fluorescents apparaissent sur les détecteurs 2 et 3. c : Enfin, quelques rares tâches fluorescentes apparaissent sur le détecteur 4. 2) Qu'en déduire simplement? 2. Que se serait-il passé avec des atomes s'ils étaient comme le prédisaient respectivement les modèles de Dalton et de Thomson? Avec des atomes conformes aux modèles de Dalton et Thompson, donc pleins, les particules α n'auraient pas pu traversé la feuille d'or, constituée d'atomes d'or, et elles auraient du rebondir et revenir en arrière : on aurait reçu beaucoup de ces particules sur le récepteur 4! NOTA BENE : les particules α ne sont pas de la lumière : elles sont invisibles. Par contre, les détecteurs, eux, réagissent à leur réception en devenant lumineux, c'est leur capacité fluorescente qui le permet 3. Qu'indique le fait qu'il y ait des particules observées sur le détecteur 1? Du coup, l'expérience contredit ce que l'on vient d'écrire, donc le modèle proposé par Dalton puis Thompson est erroné : la feuille d'or contient des failles (ou trous) : les atomes ne sont pas pleins! Il y a forcément du vide qui permet le passage des particules α.

3 3) Interprétation de Rutherford Après deux ans de réflexion, Rutherford propose un modèle planétaire de l atome : «L atome est constitué d un noyau extrêmement petit, qui concentre l'essentiel de la masse et des charges positives de l'atome, et d'un cortège électronique chargé négativement dont le volume est celui de l'atome» E.Rutherford Questions : 4. Pourquoi certaines particules sont-elles déviées? Certaines particules peuvent être déviées car étant chargées positivement, elles peuvent être repoussées par le noyau, lui même de charge positive : or on sait que les charges de même signe (+/+ ou -/-) se repoussent alors que les particules de même signe s'attirent (+/- ou -/+) Quelle est l'observation (a, b, ou c) qui permet de penser que le noyau est extrêmement petit par rapport à l'atome? Justifier. Premièrement, si le noyau était gros, il laisserait passer peu de particules, donc cela reviendrait à contredire l'observation selon laquelle l'essentiel des particules passent à travers. Deuxièmement, si le noyau était gros, il dévierait beaucoup de particules, car beaucoup seraient forcées de s'en approcher, or ce n'est pas le cas : l'essentiel des particules ne sont pas déviées car elles arrivent sur le détecteur 1. Conclusion : le noyau NE PEUT PAS être gros, l'atome est donc essentiellement «rempli» de vide. 6. La figure ci-dessous donne le schéma d'un atome d'or et de son noyau (pas à l'échelle, évidemment) : sachant que les particules A et E ne sont pas déviées, indiquer celles qui peuvent être reçues par les capteurs 2, 3 et 4 (voir schéma de l'expérience de Rutherford de 1909) et compléter le tracé des trajectoires des 5 particules.

4 7. Comment qualifier la structure de l'atome ainsi découverte (trouver l'adjectif qualificatif qui convient )? On peut parler de structure lacunaire pour la structure de l'atome, car elle contient du vide, mais aussi de la matière (noyau+électrons), donc elle n'est pas complètement vide! Pour aller plus loin (BONUS) 8. Quelle expérience facilement réalisable peut mettre en évidence le caractère «chargé» de la matière en général? En frottant un pull avec une règle en plastique, on voit apparaître un phénomène d'attraction entre ces deux objets qui caractérise la notion de charges complémentaires qui sont en interaction attractive : des charges de signe complémentaire s'attirent. 9. Le caractère chargé de la matière est il si évident que cela? Justifier. Non, dans des situations normales, la matière ne paraît pas chargée, du fait que les atomes sont normalement électriquement neutre et cela s'observe bien à l'échelle macroscopique (notre échelle). 10.Comment a t-on pu mettre en évidence l'existence des neutrons, non chargés? Etant non chargés, ils ne peuvent ni être attirés ni repoussés par les électrons, protons ou autres particules chargées. En revanche, en reprenant le principe de l'expérience de Rutherford, on peut imaginer un dispositif de particules suffisamment énergétiques pour «casser» les atomes, jusqu'au noyau, ce qui permettrait de

5 «disperser» ses constituants et à l'aide d'un détecteur à neutron, mettre en évidence leur existence (ils ont été détectés 20 après, dans les années 30, par le physicien écossais Chadwick). 11.Existe t-il d'après vous d'autres particules que celles énoncées dans le présent document? Si oui, lesquelles connaissez vous? On peut déjà avoir entendu parler des photons, positrons, muons, bosons, etc...

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