I - L?ATOME : UN MODÈLE POUR COMPRENDRE LA CHIMIE.

Activité documentaire : lire le texte et répondre aux questions.

            Dès 420 avant JC, Démocrite (philosophe grec) a l'intuition de l'existence des atomes et invente leur nom (« atomos » en grec qui signifie insécable).
Aristote (philosophe grec) conteste cette existence et son prestige est tel qu'il faut attendre le début du XIX^ème siècle pour que cette idée reprenne vie.

· En 1805, John Dalton annonce au monde l'existence des atomes.
· 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 XX^ème 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) et que les électrons sont parsemés dans cette sphère (pudding de Thomson).
· En 1910 Rutherford bombarde différents échantillons de matière (cuivre, or, argent) avec des particules et il déduit de son expérience que la charge positive doit occuper un tout petit volume qu'il appelle « noyau ». Après « un petit calcul » il trouve que la majorité de la masse de l'atome est concentrée dans un noyau minuscule par rapport au reste de l'atome. Les dimensions du noyau sont de l'ordre de 10^-15m (100 000 fois moins que les dimensions de l?atome) et sa charge totale compense celle des électrons.
· Rutherford pense alors au modèle planétaire pour décrire un atome. En effet la masse du système solaire est essentiellement concentrée dans le Soleil tout comme celle de l'atome est concentrée dans le noyau. Il propose donc comme modèle un tout petit noyau chargé positivement et comportant l'essentiel de la masse de l'atome, autour duquel les électrons décrivent des orbites.

            Depuis, d'autres modèles plus complexes ont permis d'expliquer de nombreux autres phénomènes. Le modèle actuel de l'atome est l'aboutissement d'une longue histoire au cours de laquelle les représentations qu'on s'en fait ont profondément évolué.

Nous retiendrons pour la classe de seconde un modèle simple constitué d'un noyau autour duquel gravitent, sans trajectoire particulière, des électrons qui forment un nuage électronique.

Il est nécessaire d'élaborer un modèle pour pouvoir expliquer différents phénomènes et en prévoir les conséquences. Celles-ci, soumises à l'expérience, permettent de valider le modèle, de l'améliorer ou de le rejeter.
Cependant, il n'est pas toujours nécessaire d'utiliser le modèle le plus complexe pour expliquer de façon simple un certain nombre d'observations. Il suffit de bien en connaître les conditions d'utilisations.

Texte construit à partir de Sciences et Avenir de décembre 1994, Sciences et Vie Junior d'octobre 1998,

Electrons et Atomes (Thèmes Vuibert) et des documents d'accompagnement.

Q1)Qui est le premier à avoir énoncé le mot " atomos" ? A quelle époque était-ce?

Q2)Que signifie " atomos " en grec ?

Q3)Parmi les différents savants qui ont participé à l'élaboration du modèle atomique, relever ceux qui sont cités dans le texte depuis le début du XIX^ème siècle.

Q4) Le modèle de J. J. Thomson.

a) Quel est le constituant de l'atome découvert par J. J. Thomson ? 

b)Cette particule porte-t-elle une charge électrique ? Si oui, de quel signe ? 

c)Dessiner le modèle de l'atome selon J. J. Thomson en 1904 .

Q5)Le modèle de Rutherford.

a)Que déduit Rutherford de son expérience ?

b)Après « un petit calcul », que trouve-t-il à propos :

  -de la masse de l'atome comparée à celle du noyau ?

- des dimensions de l'atome comparées à celle du noyau ?

Q6)A partir de vos réflexions et des réponses précédentes, justifier pourquoi on peut dire que la matière est constituée essentiellement de vide.

Q7) Dessiner le modèle de l'atome selon Rutherford.

Q8)Dessiner  le modèle de l'atome proposé à la fin du texte

III - POURQUOI UN MODELE ?

Q9) Le modèle de l'atome a-t-il évolué depuis le XIX^ème siècle ?

Q10) Pourquoi les scientifiques utilisent-ils des modèles ?

Le noyau contient des protons et des neutrons et les électrons forment un nuage électronique.

Le noyau de l'atome est représenté symboliquement par la notation 

1/masse de l'atome et de ses constituants

Masses du proton et du neutron  : m_p = m_n = 1,7.10^-27 kg

Masse d'un életron m_e=  0,91.10^-30 kg    

La lasse d?un électron est négligeable devant celle d'un proton    

Masse de l'atome : m = A*m_n

A est le nombre de nucléons , c'est à dire (nombre  de neutrons + nombre de protons)

2/charges :  

Charge  de l'électron q_e = -1,6.10^-19 C

Charge du proton : q_p = 1,6.10^-19 C

Charge du neutron : q_n = 0

Charge de l'atome : elle est nulle , car un atome contient autant de proton (Z) que d?électrons .   

3/Nucléons

un proton est un nucléon , un neutron est également un nucléons.

A :nombre de nucléons dans le noyau

N=A-Z est le nombre de neutrons dans le noyau

4/Isotopes

Deux noyaux de même numéro atomique Z mais ayant un nombre de neutrons différent (donc un nombre de nucléons différents ) sont des isotopes .

Q11)Soit un atome de magnésium Mg défini par les nombres Z=12 et A=26 . 

a-Donner le symbole de son noyau et préciser la constitution de cet atome. 

b-Calculer la masse du noyau notée m_noyau .

c-Calculer la masse du nuage électronique d?un atome de magnésium.

d-Déterminer la valeur du rapport : Que peut-on en conclure ?

5/ Les couches électroniques

Les électrons d'un atome se répartissent en couches électroniques :

-la couche K contient jusqu'à 2 électrons

-la couche L contient jusqu'à 8 électrons

-la couche M contient jusqu'à 18 électrons

Les couches se remplissent dans un ordre déterminé : d'abord la couche K , puis la couche L , puis la couche M?.

(K)²(L)⁸(M)¹ représente la structure électronique du sodium Na . L'atome de sodium contient 2+8+1= 11 électrons , 2 sont sur la couche K , 8 sur la couche L et 1 sur la couche M. Cette dernière couche est appelée « couche externe ».

Une couche totalement remplie est dite « saturée »

Compléments Internet :

1-site très complet sur les phénomènes nucléaires et atomiques : http://www.laradioactivite.com

Descriptif assez complet de l'expérience de Rutherford :

http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/lexperiencederutherford.htm

2-Description rapide de l'expérience de Rutherford (vidéo) :

http://www.dailymotion.com/video/x8xam3_l-experience-de-rutherford_tech

3-Vidéo sur les origines de l'atome :

http://www.dailymotion.com/video/xbyicq_atome-la-cle-du-cosmos-1_tech?start=180#from=embed

1/C?est Démocrite , philosophe grec qui en 420 avant JC a été le premier à prononcer le mot « atomos ».

2/En grec , « atomos » signifie insécable c'est à dire que l'on ne peut pas le diviser en parties plus petites.

3/Parmi les différents savants qui ont participé à l'élaboration du modèle atomique au début du XIX ème siècle , on peut citer John Dalton (1805) et J.J. Thomson (1881).

4/-a :c'est l'électron qui a été  découvert par J. J. Thomson

-b :l'électron porte une charge négative

-c :Pour J.J. Thomson , l?atome est assimilable à une sphère qui contient des charges positives et des charges négatives :

5/-a :De son expérience Rutherford déduit que la charge positive « doit occuper un tout petit volume »

-b :il trouve après « un petit calcul » que la masse de l?atome est de l'ordre de grandeur . La noyau est très petit par rapport à l'atome.

6/La réponse à la question précédente justifie le fait que l'on peut dire que la matière est essentiellement constituée de vide (noyau très petit par rapport à l?atome et toute la masse de l?atome y est pratiquement concentrée.

7/ Modèle de l'atome de Rutherford :

Le modèle est de type « système planétaire » : Comme les planètes tournent autour du soleil , les électrons tournent autour du noyau .

8/Le modèle de l?atome proposé à la fin du texte « est constitué d?un noyau autour duquel gravitent sans trajectoire particulière, des électrons qui forment un nuage électronique » :

9/Il est clair , d'après ce qui précède ,que le modèle de l'atome a évolué depuis le XIXème siècle .

10/Les scientifiques utilisent des modèles « pour pouvoir expliquer différents phénomènes et en prévoir les conséquences » .

11/-a :Le symbole du noyau de magnésium défini par Z=12 et A=26 est :

. Ce noyau contient Z=12 protons et  A=26 nucléons , c'est à dire N=A-Z=26-12=14 neutrons.

-b :La masse du noyau est m_noyau= A* m_n = 26*1,7.10^-27 = 4,4.10^-26 kg

-c :La masse du nuage électronique est m_{nuage électronique} = Z*m_e =12*0,9.10^-30 =1,08.10^-29 kg. L'atome qui est neutre contient en effet autant d?électrons que de protons (donc Z électrons).

-d :. On peut en conclure que le noyau est beaucoup plus lourd que les électrons. Autrement dit , la masse de l'atome est pratiquement concentrée dans le noyau .