Introduction

A la fin du XIXe siècle et au début du XXe, de nombreux scientifiques s'efforcent de déterminer la structure de l'atome. Nous allons étudier une expérience qui a beaucoup fait progresser les connaissances à ce sujet : l'expérience de Rutherford

Comment avons-nous trouvé la forme de l'atome ?
Il a fallu des années avant de pouvoir clairement avancer que l'atome était constitué d'un noyau chargé positivement autour duquel gravitaient des électrons. L'expérience de Rutherford a beaucoup aidé à la démonstration de ce modèle.
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C'est parti

Documents

En 1909, le physicien britannique Ernest Rutherford (1871 - 1937) réalise une expérience décisive pour la connaissance de la structure de l'atome. Quelques années auparavant, son compatriote Joseph John Thomson (1856 - 1940) a proposé un modèle, dans lequel il compare l'atome à une boule de matière de charge électrique positive, « piquée » d'électrons, particules de charge négative (document 1). Dans un matériau solide comme l'or, ces sphères seraient empilées de façon à occuper un volume minimal.

Rutherford vient juste de montrer que les particules α émises par certaines sources radioactives sont des ions hélium He2+ (atomes d'hélium ayant perdu 2 électrons). Lors de son expérience, il bombarde une feuille d'or de très faible épaisseur (0,6 µm) par des particules α émises par une source de radium. Les taches qui apparaissent sur un écran fluorescent lui permettent de connaître la trajectoire suivie par les particules (document 2)

Rutherford constate alors que la grand majorité d'entre elles traversent la feuille d'or sans être déviées, la tache lumineuse principale observée sur l'écran garde en effet la même intensité avec ou sans feuille d'or. Quelques impacts excentrés montrent que seules quelques-unes sont déviées. D'autres (1 sur 20 000 à 30 000) semblent renvoyées vers l'arrière.

En 1911, après une longue réflexion, Rutherford propose un nouveau modèle, dans lequel l'atome est constitué d'un noyau chargé positivement, autour duquel des électrons, chargés négativement, sont en mouvement et restent à l'intérieur d'une sphère. Le noyau est 104 à 105 fois plus petit que l'atome et concentre l'essentiel de sa masse. L'atome est donc essentiellement constitué de vide.

Document 1 : Le modèle de l'atome de Thomson.
Document 2 : Le schéma de l'expérience de Rutherford.
 Atome d'orNoyau de l'atome d'or
Masse (en kg)3,299 . 10-253,298 . 10-25
Rayon (en pm)1,5 . 1027 . 10-3

Ce qu'il faut savoir sur l'or

L'or (noté Au) est l'élément chimique qui porte le numéro atomique 79 dans la classification périodique des éléments.

L'élément or appartient au groupe 11 de la classification périodique des éléments qui comprend notamment, l'argent et le cuivre.

Quel est le rapport entre l'or et le modèle de l'atome ?
C'est grâce à l'or, ce métal très recherché que Rutherford a réussi à prouver la structure de l'atome.

L'or est également défini par l'IUCPA comme métal de transition. Ces métaux ont la particularité d'avoir une sous couche électronique incomplète, ou à défaut, de former des cations avec une sous couche électronique d incomplète. Il y a de nombreux atomes qui correspondent à cette définition, répartis sur les groupes 3 à 11, plus le copernicium appartenant au groupe 12.

L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science.
L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.

Le mot "or" dérive du latin "aurum" qui signifie "jaune". Son symbole atomique Au a été proposé par Jöns Jacob Berzélius (savant suédois) au XIXe siècle.

Il est considéré avec Antoine Lavoisier (chimiste, philosophe et économiste français), John Dalton (chimiste et physicien britannique) et Robert Boyle (physicien et chimiste irlandais) comme l'un des pères de la chimie moderne.

En effet, les sciences chimiques étant internationales, les nom des éléments ne sont pas nécessairement les mêmes d'une langue à l'autre, il a donc fallu trouver des symboles sans frontières.

L'or, comme la majorité des éléments chimiques est d'origine stellaire. En effet, à l'intérieur des étoiles, se produisent de nombreuses réactions nucléaires, phénomènes regroupés sous l'appellation nucléosynthèse stellaire.

Il existe deux principales hypothèses quant à la formation de l'élément or :

  1. Lors d'explosion de supernovae.
  2. Au cours de collisions d'étoiles à neutrons.

Cette dernière hypothèse permettrait d'expliquer la concentration relativement élevée de noyaux or sur la croûte terrestre. En effet, en raison de sa forte affinité avec le fer (élément dit sidérophile), l'or se retrouve naturellement surtout en abondance dans le noyau terrestre et est donc inaccessible à l'homme.

Ce qu'il faut savoir sur la radioactivité

L'atome a une structure particulière, les scientifiques sont passés par différents stades avant d'arriver à décrire celle-ci. Le noyau d'un atome est constitué de protons et de neutrons, il est donc électriquement positif. Ce noyau est entouré d'électrons qui gravitent autour de celui-ci, la partie la plus extérieure de l'atome est donc électriquement positif. Dans le cas d'un atome, ces deux parties électriques se compensent et donnent un atome électriquement neutre, ce n'est pas forcément le cas pour les ions. Ces deux parties sont séparées par du vide. En effet, on dit souvent de l'atome qu'il a une structure lacunaire. De plus, la taille du noyau est très petite comparé à celle de l'atome entier.

La radioactivité correspond à un phénomène physique au cours duquel des noyaux atomiques considérés comme instables, on les appelle alors radionucléides ou encore radioisotopes, se transforment, et ce de façon spontanée, en d'autres atomes tout en émettant par la même occasion des particules de matières comme des électrons, des noyaux d'hélium ou encore des neutrons et en émettant de l'énergie sous la forme de photons et d'énergie cinétique. On appelle cela une désintégration.

On appelle alors l'émission de particules, qu'elles soient matérielle ou immatérielles, rayonnement et on est capable de parler de rayonnements ionisants car l'énergie des particules est telle qu'elle est capable d'entraîner la ionisation de la matière traversée. Il existe alors différents types de rayonnement que l'on listera un peu plus tard.

La radioactivité présente des effets sur les organismes subissant des rayonnements ionisants, on parle alors d'irradiation. Cependant, ces effets dépendent du niveau, mais aussi de la durée de l'exposition, qui peut être aiguë ou encore chronique, de la nature du rayonnement mais également de la localisation de la radioactivité. En effet, les effets ne seront pas les mêmes si l'exposition est interne que si l'exposition était externe ou encore en surface.

Les rayonnements provoqués par les substances radioactives sont très largement utilisés dans les différentes industrie, notamment en ce qui concerne le contrôle de pièce manufacturées, les soudures, l'usure ou même à faible dose en médecine afin de déterminer un diagnostic ou dans une visée thérapeutique afin de soigner les cancers. Dans tous les cas, il est évident qu'il est nécessaire de suivre des mesures de prévention, de protection mais également de contrôle qui resteront adaptés au niveau de radioactivité observé.

La radioactivité bêta

La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis

La radioactivité alpha

La radioactivité alpha est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4

La radioactivité gamma

La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plu souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable

L'histoire de la radioactivité

Peut-on se passer du nucléaire ?
La radioactivité est une découverte française qui a permis de majeures avancées de la science et ce dans de nombreux domaines. Que ce soit en armement ou afin de produire de l'énergie, le nucléaire a été une véritable révolution ?

Comme beaucoup d'autres découvertes scientifiques, le phénomène de radioactivité a été découvert complètement par hasard.

Le premier à l’avoir mis en évidence, c’est Henri Becquerel. Celui-ci faisait des recherches sur les liens potentiels entre les rayons X et la fluorescence. Pour cela, il utilisait une préparation de sel phosphorescent d’uranium.

Tout d’abord, il déposa ce sel sur des plaques photographiques enveloppées dans du papier noir.

Ensuite, il exposa cette préparation au soleil puis développa les plaques.

Les photographies montrent l’image des cristaux de sel d’uranium. Henri Becquerel en déduit que cette image a été créée par les rayons X découverts quelques temps plus tôt par Wilhelm Conrad Röntgen, un physicien allemand.

Le raisonnement de Becquerel est simple : il pense que l’énergie solaire est absorbée par l’uranium avant d’être réémise sous forme de rayons X.

Pour confirmer ses hypothèses, il souhaita poursuivre ses expériences. Mais ces expériences impliquaient la présence du Soleil qui se montra timide plusieurs jours durant.

Henri Becquerel a donc été contraint de repousser ses expérimentations et rangea ses plaques photographiques imprégnées de sel d’uranium dans un placard.

Quelques jours plus tard, il les ressortit et décida de les développer bien qu’il ne s’attende pas à trouver grand chose.

En conclusion, la radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel lors d'une étude concernant l'uranium et cette découverte sera confirmée plus tard par Marie Curie après une étude du radium.

Marie Skłodowska-Curie est une physicienne et chimiste d’origine polonaise. Elle est très connue pour sa découverte de la radioactivité naturelle et des éléments 84 et 88 : le polonium et le radium. Elle reçut de multiples prix et distinctions pour ses recherches. Elle reçut en 1903 le prix Nobel de physique et en 1911 le prix Nobel de chimie. C’était la première femme à recevoir ce genre de distinction et encore à ce jour elle est la seule à en avoir reçu deux.

Le vocabulaire de la radioactivité

Isomère nucléaire

Des isomères nucléaires sont des atomes qui partagent le même noyau mais dans états énergétiques différents. C’est à dire qu’ils comportent un spin et une énergie d’excitation spéciaux. Dans leur état d’énergie le plus bas, on dit qu’ils atteignent l’état fondamental.

Capture électronique

La capture électronique, aussi appelée désintégration ε, est un processus de physique radioactive lors duquel un noyau d’atome qui est en manque de neutrons absorbe un électron de la couche électronique de son atome

Produit de désintégration

On appelle produit de désintégration le nucléide descendant d’un désintégration radioactive d’un nucléide précédent

Fission spontanée

La fission spontanée est un phénomène de désintégration radioactive selon lequel un noyau lourd d’un atome se divise pour former au moins deux noyaux plus petits

Période radioactive

On appelle période radioactive le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un isotope radioactif se désintègre de manière naturelle. Cette période n’est influencée en aucun cas par les conditions de l’environnement, que ce soit la température, la pression ou encore le champ magnétique, elle est propre à l’isotope en question. Statistiquement, on peut dire que la période radioactive est le temps à l’issue duquel le noyau de l’atome a 50 % de chances de s’être désintégré

Bombe H

Une bombe H, connue sous les noms de bombe à hydrogène, bombe à fusion ou encore bombe thermonucléaire est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fusion de noyaux légers comme ceux de l’hélium ou du deutérium par exemple

Bombe A

Une bombe A, connue également sous le nom de bombe atomique, bombe nucléaire ou encore bombe à fission est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fission d’éléments radioactifs comme le plutonium ou l’uranium. Ce fut les premières bombes atomiques ayant servi d’armes nucléaires lors de la Seconde Guerre mondiale, mais aussi les seules bombes ayant été utilisés lors de conflits. Little Boy et Fat Man, les bombes nucléaires de l’armée américaine ayant touché respectivement Hiroshima et Nagasaki en sont deux exemples.

Quand sont nées les bombes atomiques ?
Les premières bombes nucléaires ont commencé à apparaître durant la Seconde Guerre mondiale. Leur impact de destruction est très puissant.

Questions

  1. Si les atomes d'or étaient conformes au modèle de Thomson, est-il probable que la grande majorité des particules α traversent la feuille d'or sans être déviées ?
  2. En quoi la structure proposée par Rutherford permet-elle d'expliquer le résultat de son expérience ?
  3. Montrer que les données actuelles (document 3) concernant l'atome d'or confirment les hypothèses de Rutherford quant à la taille et la masse de son noyau.
  4. Quelle l'action exercée par une charge électrique positive sur une autre charge électrique positive ? En déduire les arguments que l'on pourrait avancer pour expliquer la déviation ou le renvoi vers l'arrière de quelques particules α.
  5. Représenter sur un schéma un atome d'or conforme au modèle de Rutherford. Placer sur le schéma les différentes trajectoires possibles pour les particules α.

Vous pouvez trouver la correction de ce sujet ici !

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.