Objectifs

○ Présentez une
expérience illustrant l'accès indirect à la connaissance sur
l'atome.

○ Utiliser des
connaissances de cours pour comprendre une expérience.

○ Rédiger des réponses
claires et argumentées.

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Description de l'expérience de Rutherford

En 1909, Marsden, Geiger et
Rutherford entreprirent d'utiliser des particules alpha ( Noyaux
d'hélium constitué de 2 protons et 2 neutrons ), produites lors de
la désintégration de noyaux radioactifs de radium, pour explorer la
structure de l'atome. Ils bombardèrent pour cela une feuille d'or
d'environ 0,6 µm, placée dans une enceinte à vide, par un faisceau
de particules alpha focalisées par deux diaphragmes D1 & D2.

Ils constatèrent que la
grande majorité des particules traversent la feuille d'or sans être
déviées. En effet, la tâche observée sur l'écran fluorescent
garde la même intensité avec ou sans feuille d'or interposée.
Quelques particules sont légèrement déviées, comme en témoignent
les impacts fluorescents sur l'écran.

Leur surprise fut de
constater que certaines particules alpha ( une sur 20 000 à 30 000 )
subissent de grandes déviations ( supérieures à 90 degrés ) et
sont donc renvoyées vers l'arrière.

Rutherford en déduisit (
mais cela lui prit 2 ans de réflexion ), que l'atome est constitué
d'un noyau très petit par rapport à la taille de l'atome et qui
concentre l'essentiel de la masse et toutes les charges positives, et
d'un cortège électronique dont le volume est celui de l'atome.

Données : me- = 9,11 . 10-30 kg.
mproton ~ mneutron ~ 1,67 . 10-27
kg. Noyau d'or : 19779Au.

Questions

Question 1 : Que
représentent les cercles en contact les uns avec les autres.

Question 2 : Que
représente le point au milieu de chaque cercle.

Question 3 : Combien
faut-il de couches d'atomes, empilées les unes sur les autres pour
obtenir une feuille d'or de 0,6 µm d'épaisseur ? Le rayon d'un
atome d'or est de 0,144 nm.

Question 4 : 1°)
Quelle est le rapport  de la masse d'un électron à celle d'une
particule alpha ?

2°) En une phrase,
expliquez la signification concrète du résultat obtenu au 1°).

3°) Une particule alpha
peut-elle être déviée par une collision avec un électron en
mouvement autour du noyau d'un atome d'or ? Justifiez. ( On pourra
s'aider de ce qui se passe lorsqu'une boule de pétanque est lancée
contre une balle de ping-pong ).

Question 5 : Sachant
que le rayon d'un atome d'or est de 0,144 nm et celui d'un noyau d'or
est de 7 fm = 7 . 1015 m, à quelle distance du noyau
évolueraient les électrons d'un atome d'or dont le noyau serait de
la taille d'une balle de ping-pong ( diamètre = 3,8 cm ) ?

Question 6 : Commet
expliquer que la grande majorité des particules traversent la
feuille d'or sans être déviées par les noyaux des atomes d'or ?

Question 7 : Quelle
est le rapport  de masse d'une particule alpha à celle d'un noyau
d'or ? Cela permet-il de comprendre pourquoi les particules 5, 9 et
14 sont déviées ?

Question 8 : Comment
peut-on expliquer que certaines particules alpha soient renvoyées
vers l'arrière ? Faire un schéma de cette situation.

Question 9 : Choisir
parmi les analogies suivantes, celle qui pour vous traduis le mieux
l'expérience de Rutherford.

1°) Des joueurs de tennis
qui envoient des balles contre un mur.

2°) Un enfant qui jette du
sable à travers un grillage à larges mailles.

3°) Un chasseur qui tire
des balles de chevrotine à travers une feuille de papier.

4°) Une planète bombardée
par une pluie de météorites.

Question 10 :
Pourquoi l'expérience doit-elle se faire dans une enceinte à vide ?

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Olivier

Professeur en lycée et classe prépa, je vous livre ici quelques conseils utiles à travers mes cours !