Learning Outcomes
- grandes lignes des jalons du développement de la théorie atomique moderne
- résumer et interpréter les résultats des expériences de Thomson, Millikan et Rutherford
- décrire les trois particules subatomiques qui composent les atomes
- définir les isotopes et donner des exemples les deux siècles qui se sont écoulés depuis que Dalton a développé ses idées, les scientifiques ont fait des progrès significatifs dans notre compréhension de la théorie atomique., Cela provient en grande partie des résultats de plusieurs expériences séminales qui ont révélé les détails de la structure interne des atomes. Ici, nous discuterons de certains de ces développements clés, en mettant l’accent sur l’application de la méthode scientifique, ainsi que sur la compréhension de la façon dont les preuves expérimentales ont été analysées. Bien que les personnes historiques et les dates derrière ces expériences puissent être très intéressantes, il est très important de comprendre les concepts résultant de leur travail.
théorie atomique après le XIXe siècle
Si la matière était composée d’atomes, de quoi étaient composés les atomes?, Étaient-ils les plus petites particules, ou y avait-il quelque chose de plus petit? À la fin des années 1800, un certain nombre de scientifiques intéressés par des questions comme celles-ci ont étudié les décharges électriques qui pourraient être produites dans les gaz à basse pression, avec la découverte la plus importante faite par le physicien anglais J. J. Thomson à l’aide d’un tube cathodique. Cet appareil consistait en un tube de verre scellé duquel presque tout l’air avait été retiré; le tube contenait deux électrodes métalliques. Lorsque la haute tension était appliquée aux électrodes, un faisceau visible appelé rayon cathodique apparaissait entre elles., Ce faisceau a été dévié vers la charge positive et loin de la charge négative, et a été produit de la même manière avec des propriétés identiques lorsque différents métaux ont été utilisés pour les électrodes. Dans des expériences similaires, le rayon était simultanément dévié par un champ magnétique appliqué, et des mesures de l’étendue de la déflexion et de l’intensité du champ magnétique ont permis à Thomson de calculer le rapport charge-masse des particules de rayons cathodiques. Les résultats de ces mesures ont indiqué que ces particules étaient beaucoup plus légères que les atomes (Figure 1).,
la Figure 1. a) J. J. Thomson a produit un faisceau visible dans un tube cathodique. (b) il s’agit d’un premier tube cathodique, inventé en 1897 par Ferdinand Braun. (c) dans le rayon cathodique, le faisceau (représenté en jaune) provient de la cathode et est accéléré au-delà de l’anode vers une échelle fluorescente à l’extrémité du tube. Les déflexions simultanées par champs électriques et magnétiques appliqués ont permis à Thomson de calculer le rapport masse / charge des particules composant le rayon cathodique., (crédit a: modification du travail par la Fondation Nobel; crédit b: modification du travail par Eugen Nesper; crédit c: modification du travail par « Kurzon”/Wikimedia Commons)
D’après ses observations, voici ce que Thomson a proposé et pourquoi: les particules sont attirées par des charges positives (+) et repoussées par des charges négatives ( – ), elles doivent donc être chargées négativement (comme les charges repoussent et contrairement aux charges attirent); elles sont moins massives que les atomes et indiscernables, quelle que soit la matière source, elles doivent donc être fondamentales, constituants subatomiques de tous les atomes., Bien que controversée à l’époque, L’idée de Thomson a été progressivement acceptée, et sa particule de rayon cathodique est ce que nous appelons maintenant un électron, une particule subatomique chargée négativement avec une masse plus de mille fois inférieure à celle d’un atome. Le terme « électron « a été inventé en 1891 par le physicien irlandais George Stoney, à partir de » ion électrique. »
cliquez sur ce lien vers” JJ Thompson parle de la taille de L’électron » pour entendre Thomson décrire sa découverte de sa propre voix.en 1909, plus D’informations sur l’électron ont été découvertes par le physicien américain Robert A., Millikan via ses expériences « oil drop ». Millikan a créé des gouttelettes d’huile microscopiques, qui pourraient être chargées électriquement par frottement au fur et à mesure de leur formation ou à l’aide de rayons X. Ces gouttelettes sont initialement tombées en raison de la gravité, mais leur progression vers le bas pourrait être ralentie ou même inversée par un champ électrique plus bas dans l’appareil. En ajustant l’intensité du champ électrique et en effectuant des mesures minutieuses et des calculs appropriés, Millikan a pu déterminer la charge sur des gouttes individuelles (Figure 2).
la Figure 2., L’expérience de Millikan a mesuré la charge des gouttes d’huile individuelles. Les données tabulées sont des exemples de quelques valeurs possibles.
En regardant les données de charge que Millikan a recueillies, vous avez peut—être reconnu que la charge d’une gouttelette d’huile est toujours un multiple d’une charge spécifique, 1,6 × 10-19 C. Millikan a conclu que cette valeur doit donc être une charge fondamentale—la charge d’un seul électron-avec ses charges mesurées dues à un excès d’un électron (1 fois 1,6 × 10-19 C), deux électrons (2 fois 1,6 × 10-19 C), trois électrons (3 fois 1.,6 × 10-19 C), et ainsi de suite, sur une gouttelette d’huile donnée. Étant donné que la charge d’un électron était maintenant connue grâce aux recherches de Millikan et que le rapport charge-masse était déjà connu grâce aux recherches de Thomson (1,759 × 1011 C/kg), il ne fallait qu’un simple calcul pour déterminer la masse de l’électron.
\text{masse d’électron}=1,602\fois {10}^{-19}\text{C}\fois\frac{1\text{kg}}{1,759\fois {10}^{11}\text{C}}=9.,107 \ times {10}^{-31} \ text {kg}
Les scientifiques avaient maintenant établi que L’atome n’était pas indivisible comme Dalton l’avait cru, et grâce aux travaux de Thomson, Millikan et d’autres, la charge et la masse des particules subatomiques négatives—les électrons—étaient connues. Toutefois, la partie chargée positivement d’un atome n’était pas encore bien compris. En 1904, Thomson a proposé le modèle d’atomes « plum pudding », qui décrivait une masse chargée positivement avec une quantité égale de charge négative sous la forme d’électrons incorporés, puisque tous les atomes sont électriquement neutres., Un modèle concurrent avait été proposé en 1903 par Hantaro Nagaoka, qui postule un atome de Saturne, constitué d’une sphère chargée positivement entourée d’un halo d’électrons (Figure 3).
la Figure 3. (a) Thomson a suggéré que les atomes ressemblaient au plum pudding, un dessert anglais composé de gâteau humide avec des raisins secs incorporés (« prunes”). (B) Nagaoka a proposé que les atomes ressemblaient à la planète Saturne, avec un anneau d’électrons entourant une « planète positive »., »(crédit a: modification des travaux de » Man vyi « /Wikimedia Commons; crédit b: modification des travaux de”NASA » /Wikimedia Commons)
Le prochain développement majeur dans la compréhension de l’atome est venu D’Ernest Rutherford, un physicien de Nouvelle-Zélande qui a largement passé sa carrière scientifique au Canada et en Angleterre., Il a effectué une série d’expériences en utilisant un faisceau de particules alpha à haute vitesse et chargées positivement (particules α) produites par la désintégration radioactive du radium; les particules α sont constituées de deux protons et de deux neutrons (vous en apprendrez plus sur la désintégration radioactive dans le module sur la chimie nucléaire)., Rutherford et ses collègues Hans Geiger (plus tard célèbre pour le compteur Geiger) et Ernest Marsden ont dirigé un faisceau de particules α, dont la source était incorporée dans un bloc de plomb pour absorber la majeure partie du rayonnement, sur une très fine feuille d’or et ont examiné la diffusion résultante des particules α à l’aide d’un écran luminescent qui
Qu’ont-ils découvrir? La plupart des particules passaient à travers la feuille sans être déviées du tout., Cependant, certains ont été légèrement déviés, et un très petit nombre ont été déviés presque directement vers la source (Figure 4). Rutherford a décrit avoir trouvé ces résultats: « c’était tout à fait l’événement le plus incroyable qui m’est jamais arrivé dans ma vie. C’était presque aussi incroyable que si vous tiriez une coquille de 15 pouces sur un morceau de papier de soie et qu’elle revenait et vous frappait.”
la Figure 4., Geiger et Rutherford ont tiré des particules α sur un morceau de feuille d’or et ont détecté où ces particules allaient, comme le montre ce schéma de leur expérience. La plupart des particules ont traversé directement la feuille, mais quelques-unes ont été légèrement déviées et un très petit nombre l’ont été de manière significative.
Voici ce que Rutherford en a déduit: parce que la plupart des particules α en mouvement rapide ont traversé les atomes d’or sans être détectées, elles doivent avoir traversé un espace essentiellement vide à l’intérieur de l’atome., Les particules Alpha sont chargées positivement, de sorte que des déflexions sont apparues lorsqu’elles ont rencontré une autre charge positive (comme les charges se repoussent). Comme les charges similaires se repoussent, les quelques particules α chargées positivement qui ont brusquement changé de trajectoire doivent avoir frappé, ou s’être approchées de près, un autre corps qui avait également une charge positive hautement concentrée. Étant donné que les déviations se sont produites une petite fraction du temps, cette charge n’occupait qu’une petite partie de l’espace dans la feuille d’or., En analysant en détail une série de telles expériences, Rutherford a tiré deux conclusions:
- Le volume occupé par un atome doit être constitué d’une grande quantité d’espace vide.
- Un petit corps relativement lourd et chargé positivement, le noyau, doit être au centre de chaque atome.
voir cette simulation de L’expérience Rutherford gold foil. Ajustez la largeur de la fente pour produire un faisceau plus étroit ou plus large de particules α pour voir comment cela affecte le motif de diffusion.,Cette analyse a conduit Rutherford à proposer un modèle dans lequel un atome est constitué d’un très petit noyau chargé positivement, dans lequel la majeure partie de la masse de l’atome est concentrée, entouré par les électrons chargés négativement, de sorte que l’atome est électriquement neutre (Figure 5). Après de nombreuses autres expériences, Rutherford a également découvert que les noyaux d’autres éléments contiennent le noyau d’hydrogène comme un « bloc de construction”, et il a nommé cette particule plus fondamentale le proton, la particule subatomique chargée positivement trouvée dans le noyau., Avec un ajout, que vous apprendrez ensuite, ce modèle nucléaire de l’atome, proposé il y a plus d’un siècle, est toujours utilisé aujourd’hui.
la Figure 5. Les particules α ne sont déviées que lorsqu’elles entrent en collision ou passent près du noyau d’or beaucoup plus lourd et chargé positivement. Parce que le noyau est très petit par rapport à la taille d’un atome, très peu de particules α sont déviées. La plupart traversent la région relativement grande occupée par les électrons, qui sont trop légers pour dévier les particules en mouvement rapide.,
la simulation de diffusion Rutherford vous permet d’étudier les différences entre un atome de « plum pudding” et un atome de Rutherford en tirant des particules α sur chaque type d’atome.Une autre découverte importante a été la découverte d’isotopes. Au début des années 1900, les scientifiques ont identifié plusieurs substances qui semblaient être de nouveaux éléments, les isolant des minerais radioactifs. Par exemple, un « nouvel élément” produit par la désintégration radioactive du thorium a d’abord reçu le nom de mésothorium., Cependant, une analyse plus détaillée a montré que le mésothorium était chimiquement identique au radium (un autre produit de désintégration), malgré une masse atomique différente. Ce résultat, ainsi que des résultats similaires pour d’autres éléments, a conduit le chimiste anglais Frederick Soddy à réaliser qu’un élément pourrait avoir des types d’atomes avec des masses différentes qui étaient chimiquement indiscernables. Ces différents types sont appelés isotopes-atomes du même élément qui diffèrent en masse. Soddy a reçu le prix Nobel de chimie en 1921 pour cette découverte.,
Il restait un casse-tête: le noyau était connu pour contenir presque toute la masse d’un atome, le nombre de protons ne fournissant que la moitié, ou moins, de cette masse. Différentes propositions ont été faites pour expliquer ce qui constituait la masse restante, y compris l’existence de particules neutres dans le noyau. Comme vous pouvez vous y attendre, la détection de particules non chargées est très difficile, et ce n’est qu’en 1932 que James Chadwick a trouvé des preuves de neutrons, de particules subatomiques non chargées d’une masse à peu près identique à celle des protons., L’existence du neutron a également expliqué les isotopes: ils diffèrent en masse car ils ont un nombre différent de neutrons, mais ils sont chimiquement identiques car ils ont le même nombre de protons. Ceci sera expliqué plus en détail plus tard.
Concepts Clés et Résumé
Bien que personne n’a vraiment vu l’intérieur d’un atome, des expériences ont démontré beaucoup sur la structure atomique. Le tube cathodique de Thomson a montré que les atomes contiennent de petites particules chargées négativement appelées électrons., Millikan a découvert qu’il existe une charge électrique fondamentale—la charge d’un électron. L’expérience de Rutherford gold foil a montré que les atomes ont un petit noyau dense et chargé positivement; les particules chargées positivement dans le noyau sont appelées protons. Chadwick a découvert que le noyau contient également des particules neutres appelées neutrons. Soddy a démontré que les atomes du même élément peuvent différer en masse; ceux-ci sont appelés isotopes.
Essayer
- L’existence des isotopes contrevient à l’une des idées originales de la théorie atomique de Dalton. Lequel?,
- comment les électrons et les protons sont-ils similaires? Comment sont-ils différents?
- comment les protons et les neutrons sont-ils similaires? Comment sont-ils différents?
- prédire et tester le comportement des particules α tirées sur un atome modèle « plum pudding”.
- prédire les chemins empruntés par les particules α qui sont tirées sur les atomes avec une structure de modèle de plum pudding de Thomson. Expliquez pourquoi vous vous attendez à ce que les particules α empruntent ces chemins.,
- Si des particules α d’énergie plus élevée que celles de (a) sont tirées sur des atomes de plum pudding, prédisez comment leurs trajectoires différeront des trajectoires des particules α de plus faible énergie. Expliquez votre raisonnement.
- testez maintenant vos prédictions à partir de (a) et (b). Ouvrez la simulation de diffusion Rutherford et sélectionnez l’onglet « atome de Plum Pudding”. Réglez » énergie des particules Alpha” Sur « min », puis sélectionnez » Afficher les traces.” Cliquez sur le pistolet pour commencer à tirer des particules alpha. Cela correspond-il à votre prédiction de (a)? Sinon, expliquez pourquoi le chemin réel serait celui indiqué dans la simulation. Appuyez sur le bouton pause ou » Réinitialiser tout., »Réglez » énergie des particules Alpha” sur » max » et commencez à tirer des particules α. Cela correspond-il à votre prédiction de (b)? Si non, expliquer l’effet de l’augmentation de l’énergie sur les chemins, comme indiqué dans la simulation.
- prédire et tester le comportement des particules α tirées sur un modèle D’atome de Rutherford.
- prédire les chemins empruntés par les particules α qui sont tirées sur les atomes avec une structure de modèle D’atome de Rutherford. Expliquez pourquoi vous vous attendez à ce que les particules α empruntent ces chemins.,
- Si des particules α d’énergie plus élevée que celles de (a) sont tirées sur des atomes de Rutherford, prédisez comment leurs trajectoires différeront des trajectoires des particules α de plus faible énergie. Expliquez votre raisonnement.
- prédire comment les chemins empruntés par les particules α diffèrent si elles sont tirées à Rutherford atomes d’éléments autres que l’or. Quel facteur pensez-vous causer cette différence de chemins, et pourquoi?
- testez maintenant vos prédictions à partir de (a), (b) et (c). Ouvrez la simulation de diffusion Rutherford et sélectionnez l’onglet « Rutherford Atom”., En raison de l’échelle de la simulation, il est préférable de commencer avec un petit noyau, alors sélectionnez « 20” pour les protons et les neutrons, « min” pour l’énergie, montrez des traces, puis commencez à tirer des particules α. Cela correspond-il à votre prédiction de (a)? Sinon, expliquez pourquoi le chemin réel serait celui indiqué dans la simulation. Mettez en Pause ou réinitialisez, réglez l’énergie sur « max” et commencez à tirer des particules α. Cela correspond-il à votre prédiction de (b)? Si non, expliquer l’effet de l’augmentation de l’énergie sur le chemin comme le montre la simulation., Mettez en Pause ou réinitialisez ,sélectionnez « 40” pour les protons et les neutrons, » min » pour l’énergie, afficher les traces et tirer. Cela correspond-il à votre prédiction de (c)? Sinon, expliquez pourquoi le chemin réel serait celui indiqué dans la simulation. Répétez cette opération avec un plus grand nombre de protons et de neutrons. Quelle généralisation pouvez-vous faire concernant le type d’atome et l’effet sur le trajet des particules α? Soyez clair et précis.
Afficher les Solutions SélectionnéesGlossaire
particule alpha (particule α): particule chargée positivement composée de deux protons et de deux neutrons
électron: particule subatomique chargée négativement de masse relativement faible située à l’extérieur du noyau
isotopes: atomes contenant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons
neutron: particule subatomique non chargée le noyau
noyau: centre massif et chargé positivement d’un atome composé de protons et de neutrons
Proton: particule subatomique chargée positivement située dans le noyau
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