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L’atome – correction

I. Modèle de l’atome : à travers l’histoire :

Voici 4 personnages qui ont contribué à connaître l’atome.

430 av JC 1904 1913 1926

Naissance de l’atome Modèle Plum-pudding Modèle planétaire Modèle quantique

3B 2A 1C 4D

Voici 4 phrases qu’ils auraient pu prononcer :

A Des électrons négatifs se répartissent à l’intérieur d’un noyau positif, de la même façon que les pruneaux se dispersent dans un cake

B La matière ne peut être divisée indéfiniment. Elle est faite de grains qu’on appellera atomes, ce qui signifie qu’on ne peut pas les divisés

C Les électrons tournent autour du noyau positif comme les planètes de notre système solaire tournent autour du Soleil.

D Il faut abandonner le concept de trajectoire de l’électron. Celui-ci est délocalisé dans le nuage électronique : on parle de probabilité de présence de l’électron au tour du noyau.

Voici 4 documents illustrant les propos ci-dessus :

1 2 3 4

Attribuer à chaque personnage ses propos et l’illustration qui l’accompagne. (Dernière ligne du

premier tableau à compléter).

II. Ce que nous devons retenir :

1. Un exemple : l’atome d’aluminium :

A partir du document ci-contre, décrire l’atome

d’aluminium :

2 2. Le noyau :

Il est formé de nucléons qui sont les protons et les neutrons.

On appelle A le nombre total de nucléons que compte le noyau.

Nucléon Masse Charge Nombre

Proton mP =1,67.10-27

kg qp = +e = 1,6.10-19

C Z

Neutron mn ≈ mp qn = 0 (neutres) N = A – Z

Vocabulaire :

Z est le « numéro atomique » ou « nombre de charge »

A est le « nombre de masse »

Exprimer N le nombre de neutrons présents dans le noyau en fonction de A et Z (tableau).

3. Les électrons :

Ils n’ont pas de trajectoire précise. Ils se meuvent dans un espace vide, relativement grand par

rapport à la taille du noyau.

Masse Charge Nombre

Electron me =9,1.10-31

kg qe= - e = -1,6.10-19

C Z

4. Neutralité de l’atome :

a. Comparez la charge d’un électron et celle d’un proton :

Les charges sont exactement opposées.

b. Comparez le nombre de protons dans le noyau d’un atome et le nombre d’électrons autour de ce

noyau :

Il y a autant de protons dans le noyau que d’électrons autour de ce noyau.

c. Conclure :

L’atome est électriquement neutre.

5. Masse d’un atome :

a. Comparez la masse de l’électron et celle d’un nucléon :

183510.1.9

10.67,131

27

e

p

m

m

La masse d’un électron est presque 2000 fois plus petite que la masse d’un nucléon.

b. Pourquoi peut-on affirmer que la masse d’un atome correspond à la masse de son noyau ?

La masse des électrons est négligeable devant celle du noyau.

c. Calculez la masse du noyau de l’atome d’aluminium.

npnoyau mNmZm

kgmnoyau

26272727 10.51,410.67,12710.67,11410.67,113

d. Proposez une formule qui permet de calculer une valeur très approchée de la masse d’un

atome ma en fonction de A et mp :

ppnoyaua mAmNZmm

3 6. Représentation :

On représente un atome en précisant Z et A. Le symbole utilisé est noté X :

Exemples : Décrire chacun des atomes ci-dessous

Nom de l’atome Nombre de Nucléons Nombre

d’électrons Protons Neutrons

Carbone 6 6 6

Oxygène 8 8 8

Hydrogène 1 0 1

7. Isotopes :

Deux atomes sont isotopes si ils ont le même numéro atomique Z mais un nombre de masse A

différent.

Comparer les noyaux de deux isotopes ?

Les noyaux de 2 isotopes comptent le même nombre de protons mais un nombre de neutrons

différents.

Comme ils ont le même numéro atomique, ils gardent le même nom ; pour les différencier, on ajoute

à leur nom leur nombre de masse A. ex : le carbone 12, le carbone 14, etc.

Représentation

Nbre de

protons

Nbre de

neutrons

Abondance

naturel

H

hydrogène léger

(ou hydrogène -

tout court)

1 0 99,98 %

deutérium

1 1 0,02 %

tritium

1 2 10-4

%

C

carbone 12

6 6 98,2 %

carbone 13

6 7 1,1 %

carbone 14

6 8 10-10

%

III. L’expérience de Rutherford :

En 1909, la structure de l’atome n’était pas connue.

Marsden, Geiger et Rutherford entreprirent d’utiliser

des particules pour explorer l’atome.

Ils bombardèrent pour cela une feuille d’or d’environ

0,6mm, placée dans une enceinte à vide, par un

faisceau de particules . Ils constatèrent que la grande majorité des particules

traversent la feuille d’or sans être déviées. En effet,

la tache observée sur l’écran fluorescent garde la

même intensité avec ou sans feuille d’or interposée.

Seules quelques particules étaient déviées, comme en

témoigne les impacts fluorescents sur l’écran.

Après la fin de l’expérience, la feuille d’or était

intacte.

L’or est un métal. On rappelle qu’un métal est un empilement régulier et compact d’un même type d’atomes.

XA

Z

C12

6

O16

8

H1

1

H1

1

H2

1

H3

1

C12

6

C13

6

C14

6

4 Un atome d’or compte 79 protons et 118 neutrons dans son noyau, et 79 électrons autour de son noyau. Une particule α (alpha) est un noyau d’atome d’hélium ; il est constitué de 2 protons et de 2 neutrons.

1. Calculer les masses d’une particule alpha et d’un noyau d’atome d’or.

palpha mm 4 A.N. kgmalpha

2710.68,6

palpha mm 11879 A.N. kgmalpha

2510.29,3

2. Comparer la masse d’une particule α à celle d’un électron tournant autour du noyau de l’atome

d’or. Qu’arrive-t-il à la particule α lorsqu’elle rencontre un électron ?

734010.1,9

10.68,631

27

electron

alpha

m

m

Une particule alpha a une masse presque 8000 fois plus importante qu’un électron.

Lorsqu’une particule alpha rencontre un électron, elle l’éjecte de l’atome.

La particule α n’est pas déviée de sa trajectoire.

3. Comparer la masse d’un noyau d’atome d’or à la masse d’une particule α ? Qu’arrive-t-il lorsqu’une

particule α arrive sur un noyau d’atome d’or ?

4910.68,6

10.29,327

25

alpha

or

m

m

Le noyau de l’atome d’or a une masse presque 50 fois plus importante que la particule α.

Une particule alpha rebondit lorsqu’elle rencontre un noyau d’atome d’or.

4. Combien faut-il de couches d’atomes, empilées les unes sur les autres, pour obtenir une feuille d’or

de 0,6mm d’épaisseur sachant que e rayon d’un atome d’or est de 0,15 nm.

6

9

3

10.210.15,02

10.6,0

2

r

eN Il y a 2 millions de couches.

5. D’après les réponses que vous venez de donner, quel résultat aurait pu attendre Rutherford

lorsqu’il réalisa son expérience ?

Il s’attendait à ce que les particules alpha soient renvoyées.

6. Proposer une hypothèse qui pourrait expliquer les résultats de l’expérience de Rutherford.

Les noyaux des atomes sont extrêmement petits.

7. Aujourd’hui, on sait que le rayon d’un atome d’or est de 0,15 nm et celui d’un noyau d’or est de 7

fm. Ces informations permettent-elles de confirmer votre hypothèse ?

Comparons un atome à son noyau : 2142810.7

10.15,015

9

noyau

atome

r

r

Le noyau est plus de 20000 fois plus petit que l’atome. Ceci confirme l’hypothèse.

8. Choisir parmi les analogies suivantes, celle qui pour vous traduit le mieux l’expérience de

Rutherford :

b) un enfant qui jette du sable à travers un grillage à larges mailles.

9. En quel sens peut-on dire que le remplissage de l’espace par la matière est lacunaire ?

La matière est concentrée dans les noyaux des atomes qui sont très petits. Les noyaux sont séparés

par des espaces vides (lacunes) qui sont comparativement très grand par rapport aux noyaux.