Chapitre 10 Un modèle de l'atome Manuel pages 152 à 165 Choix pédagogiques. Ce chapitre développe le modèle de l'atome introduit au collège. Il détaille les caractéristiques de l'atome et du noyau (dimension, masse) et la répartition des électrons en couches électroniques. La première activité porte sur l'expérience de Rutherford, la seconde sur l évolution du modèle de l'atome de la fin du XIX e siècle jusqu'aux années 1930. L'objectif de ce document historique est de présenter une science en mouvement. Double page d ouverture Nébuleuse de la Fourrure de renard Le premier document amène les élèves à se poser des questions sur l universalité de la matière : les atomes qui constituent les astres sont-ils identiques à ceux rencontrés sur Terre? La réponse est oui, et cela permet d étudier des astres par comparaison des propriétés optiques issues de la matière stellaire avec celles issues de la matière terrestre. Idéogramme chinois Le deuxième document interroge les élèves sur la taille des atomes. La discussion peut se poursuivre sur les modes d observation de la matière à l échelle atomique : peut-on prendre une «photo» d un petit nombre d atomes afin qu ils soient visibles individuellement? Poupées russes La question posée permet aux élèves de s interroger sur un modèle électronique de l atome : les électrons sont-ils des particules parfaitement identifiables, localisées? 1
Découvrir et réfléchir Activité documentaire 1 : L expérience de Rutherford Commentaire. Déduire un modèle à partir d'un compte rendu expérimental. Réponses 1. Comprendre le texte a. À l'échelle microscopique, une feuille d'or est constituée d'un empilement d'atomes d'or liés les uns aux autres (voir la figure 3). b. Si l'atome avait été une sphère pleine de matière, les particules α auraient rebondi sur la feuille d'or et ne l aurait pas traversé. 2. Interpréter a. Certaines particules α sont déviées par interaction électrostatique avec la charge portée par le noyau de l'atome d'or. b. Deux charges de la même valeur se repoussent (ce qui provoque la déviation des particules α). Les charges des particules α et du noyau d'un atome d'or sont donc de même signe. Comme la particule α est chargée positivement (ligne 5 du texte 1), la charge électrique du noyau d un atome d or est positive. 3. Conclure Cette expression signifie qu'un atome est essentiellement constitué de vide. L'expérience est en accord avec cette conclusion car la grande majorité des particules α traversent la feuille d'or sans déviation. 2
Activité expérimentale 2 : Évolution du modèle de l'atome Commentaires. Description historique du cheminement de la pensée scientifique de la fin du XIX e siècle aux années 1930 concernant le modèle de l'atome. L'intérêt est de montrer que la science évolue et d'ouvrir le sujet sur les recherches actuelles dans ce domaine. Réponses 1. Comprendre le document a. La charge électrique totale de l'atome dans le modèle de J. J. Thomson est nulle : son atome est neutre. b. c. d. Dans le modèle de E. Rutherford, les électrons sont en mouvement autour du noyau selon des orbites quelconques. N. Bohr montre qu'en fait les électrons gravitent selon des orbites circulaires particulières. e. Ces orbites particulières sont appelées des couches électroniques. 2. Recherche personnelle J. J. Thomson est anobli en 1908 et porte alors le titre de «Sir» en récompense de son prix Nobel de Physique obtenu en 1906. 3. Conclure sur l'évolution des idées scientifiques a. On ne peut plus donner de représentation schématique des électrons comme des petites particules sphériques. Ils sont modélisés par un «nuage électronique» décrit par une fonction d'onde. 3
b. Le modèle de l'atome a été sans cesse en évolution durant le XX e siècle et il y a fort à parier qu'il évolue encore. (Citons la découverte des quarks dans la seconde moitié du XX e siècle, qui a remis en cause le caractère élémentaire des neutrons et des protons.) 4
Exercices Exercices d application 5 minutes chrono! 1. Mots manquants a. nucléons. b. Z ; protons c. noyau ; couches électroniques d. neutre e. noyau f. vide ; lacunaire g. couche externe 2. QCM a. Doit avoir exactement 10 électrons. b. A = 17 et Z = 35. c. 7 neutrons, 7 protons et 7 électrons. d. 10 5 fois plus grand. e. 8. f. (K) 2 (L) 8 (M) 2. Mobiliser ses connaissances Un modèle de l'atome ( 1 du cours) 3. a. Je suis un électron. b. Je suis un neutron. c. Je suis un proton. 4. Corrigé dans le manuel. 5. a. La seule particule élémentaire située autour du noyau est l'électron.!9,6 " 10!19 b. La charge d'un électron est e, donc il y a = 6 électrons autour de ce noyau.!19!1,6 " 10 6. a. Noyau de carbone : 6 protons et 6 neutrons. b. Noyau d'oxygène : 8 protons et 8 neutrons. c. Noyau de chlore : 17 protons et 18 neutrons. 5
7. Corrigé dans le manuel. 8. a. A est le nombre de nucléons, donc A = 27. Z est le nombre de protons, donc : Z = 27 14 = 13. b. 27 13 Al. 9. Corrigé dans le manuel. Les caractéristiques de l'atome ( 2 du cours) 10. a. Ordre de grandeur du rayon de l'atome d'hydrogène : 52,9 pm = 5,29 10-11 m ~ 10-10 m. Ordre de grandeur du rayon de son noyau : 1,2 fm = 1,2 10-15 m ~ 10-15 m. b. 10!10 10!15 =105 : le rayon de l'atome est 100 000 fois plus grand que celui de l'atome. L'atome est donc essentiellement constitué de vide ; sa structure est lacunaire. 11. a. L'atome de silicium possède 14 protons et 14 neutrons. Étant électriquement neutre, il possède autant de protons que d'électrons, soit 14 électrons. b. La masse du noyau de l atome de silicium est la masse de l'ensemble de ses constituants (nucléons), soit : m noyau = 28 1,7 10-27 = 4,8 10-26 kg. Répartition des électrons en couches ( 3 du cours) 12. La couche externe est la dernière couche occupée ; ici, il s agit de la couche M. L'atome de magnésium possède donc deux électrons sur sa couche externe. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13. (K) 2 (L) 4. 14. a. H : (K) 1 ; Li : (K) 2 (L) 1 ; Na : (K) 2 (L) 8 (M) 1. b. Ces trois atomes possèdent un électron sur leur couche externe. 15. a. L'atome de fluor possède 9 protons, 10 neutrons et 9 électrons ; l'atome de chlore possède 17 protons, 18 neutrons et 17 électrons. b. F : (K) 2 (L) 7 ; Cl : (K) 2 (L) 8 (M) 7. c. On observe que les noyaux de fluor et de chlore ont le même nombre d'électrons sur leur couche externe. 6
Utiliser ses compétences 16. Le rayon de l'atome d'hydrogène est environ 100 000 fois plus grand que celui de son noyau. Donc par règle de proportionnalité, si on assimile ce rayon nucléaire à une tête d'épingle (r = 1,0 mm = 1,0 10-3 m), le rayon atomique à cette échelle vaudrait : r atome = 10 5 10-3 = 10 2 m (soit la longueur d'un terrain de football). ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 17. a. 23 11 Na. b. L'atome de sodium possède 11 protons, 12 neutrons et 11 électrons. c. Na : (K) 2 (L) 8 (M) 1 ; il y a un électron sur sa couche externe. 18. a. La masse du noyau de bore est m = A m n. A.N. : m = 11 1,7 10-27 = 1,9 10-26 kg. b. V = 4 3!r n3. A.N. : V = 8,2 10-44 m 3. c. ρ = m V. A.N. : ρ = 2,3 10 17 kg m -3. d. La masse de l'atome étant égale à celle du noyau, calculée à la question a., on en déduit la masse volumique de l'atome (en utilisant le rayon de l'atome r) : ρ atome = 8,1 10 6 kg.m -3. Le noyau est donc bien plus dense que l'atome. 19. a. r noyau ~ 10!9 10 5 ~ 10-14 m. b. L'atome est donc essentiellement constitué de vide ; sa structure est lacunaire. 20. a. A est le numéro atomique, c est-à-dire aussi le nombre de nucléons. Z correspond au nombre de protons. Un atome est électriquement neutre, donc il possède autant de protons que d électrons, soit Z = 9. On en déduit que le symbole de ce noyau est 19 9F. b. La masse d un atome est pratiquement égale à celle de ses nucléons. On a donc m = A m n. A.N. : m = 19 1,7 10-27 = 3,2 10-26 kg. c. Les couches K, L et M se remplissent successivement. La couche K contient au maximum deux électrons. Il reste donc 7 électrons, qui peuvent se répartir dans la couche L puisque cette dernière peut en contenir au maximum 8. On a donc la structure électronique suivante : (K) 2 (L) 7. 7
Exercices d entraînement 21. a. m = A m n, d'où A = 19 ; q = Z e, d'où Z = 9. b. 19 9 F. c. F : (K) 2 (L) 7. 22. a. L'atome d'étain est composé de 50 protons, 70 neutrons et 50 électrons. b. Soit Q la charge électrique du noyau provenant des protons : q = Z e. A.N. : q = 8,0 10-18 C. L'atome étant électriquement neutre, la charge électrique totale des électrons est donc l'opposé de celle du noyau. c. Soit m Sn la masse d'un atome d'étain : m Sn = A m n, d'où m Sn = 2,0 10-25 kg. 43! 10 "3 d. La seringue de masse m = 43 g contient donc 2,0! 10 = 3,4 "25 1023 atomes d'étain. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 23. a. L'atome de fer est composé de 26 protons, 30 neutrons et 26 électrons. b. m = A m n, d'où m = 9,5 10-26 kg. c. ρ = m V = m (4 3)!r. 3 A.N. : ρ = 8,3 10 3 kg m -3. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24. a. V = 4 3!r 3. A.N. : V atome = 1,30 10-29 m 3. b. r atome = 100 000 r noyau, d'où r noyau = 1,46 10-15 m = 1,46 fm. c. On en déduit V noyau = 1,30 10-44 m 3. d. V atome V noyau! 10 15. L'atome est donc essentiellement constitué de vide ; sa structure est lacunaire. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 25. a. q = Z e, donc Z = 79. b. 197 79 Au. c. m = A m n, d'où m = 3,3 10-25 kg. d. Le nombre d'atomes présents dans le lingot est m' m. 1,0 A.N. : 3,3! 10 = 3,0 "25 1024 atomes d'or. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 26. a. Analgésique : produit une insensibilité à la douleur. Antipyrétique : fait baisser la température en cas de fièvre. Anti-inflammatoire : calme les rhumatismes. b. 9 atomes de carbone ; 8 atomes d hydrogène ; 4 atomes d oxygène. 8
C : 12 nucléons ; 6 protons ; 6 neutrons ; 6 électrons. H : 1 nucléon ; 1 proton ; 1 électron. O : 16 nucléons ; 8 protons ; 8 neutrons ; 8 électrons. c. C : (K) 2 (L) 4 ; H : (K) 1 ; O : (K) 2 (L) 6. Le carbone a 4 électrons sur sa couche externe, l hydrogène a 1 électron sur sa couche externe, et l oxygène a 6 électrons sur sa couche externe. d. On note m C la masse d un atome de carbone, m H la masse d un atome d hydrogène et m O la masse d un atome d oxygène. m C = 12 m n = 2 10-26 kg. m H = 1 m n = 1,7 10-27 kg. m O = 16 m n = 2,7 10-26 kg. m aspirine = 9 m C + 8 m H + 4 m O = 3,1 10-25 kg. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27. a. Soit V le volume d'un neutron, ρ = m n V = m n (4 3)!r. 3 A.N. : ρ = 4,1 10 17 kg m -3. b. Soit m' la masse d'une étoile à neutron : m = ρ V. A.N. : m = 4,1 10 14 kg. 9
Culture scientifique et citoyenne Exercer son esprit critique D après la phrase «la fusion de deux noyaux d hydrogène produit un noyau de deutérium», il n y a pas conservation des nucléons. En effet, deux noyaux d hydrogène possèdent au total deux protons, tandis qu un noyau de deutérium possède un proton et un neutron. L auteur devrait préciser que cette transformation s accompagne de la formation d un positron et d un neutrino. Il est important de faire comprendre aux élèves qu un article de vulgarisation scientifique doit être lu avec soin : certaines informations peuvent manquer, non par erreur, mais pour ne pas alourdir le texte. 10