Exercices: Modèles de l'atome (de Dalton à Bohr)

En cours de physique, la professeure montre une boule de billard et dit que c'est ainsi que Dalton imaginait les atomes vers $1805$, comme le montre la figure.

Expliquer avec vos propres mots ce qu'est un atome selon le modèle de Dalton et quelles étaient les deux propriétés de cette « boule ».

La grand-mère de Hugo prépare un pudding aux raisins secs, comme celui de la figure.

Thomson imaginait l'atome comme ce dessert : expliquer ce que représente la pâte du pudding dans son modèle et ce que représentent les raisins secs.

Léa voit dans un documentaire l'expérience de la feuille d'or de Rutherford : des particules $\alpha$, de charge positive, étaient lancées contre une feuille d'or très fine, comme le montre la figure.

Qu'est-il arrivé à la grande majorité des particules en arrivant sur la feuille ? Quelle conclusion Rutherford en a-t-il tirée sur l'intérieur de l'atome ?

Dans la grande roue d'une fête foraine, on ne peut voyager qu'assis dans une cabine, jamais suspendu dans le vide entre deux cabines. Bohr a proposé quelque chose de semblable pour les électrons, comme le montre la figure.

Expliquer ce que Bohr a affirmé sur les orbites des électrons et en quoi son modèle différait de celui de Rutherford.

Des cartes à collectionner de « savants de l'atome » indiquent ces dates : Thomson, $1897$ ; Bohr, $1913$ ; Dalton, $1805$ ; Rutherford, $1911$. Classer les quatre modèles atomiques du plus ancien au plus récent.

Le jeu préféré de Mathis est mis à jour régulièrement pour corriger des erreurs et ajouter des améliorations. Il se passe quelque chose de semblable avec les modèles scientifiques : expliquer pourquoi les scientifiques remplacent un modèle par un nouveau.

Dans un musée des sciences, Léo observe un tube à rayons cathodiques comme celui que Thomson a utilisé dans ses expériences, semblable à celui de la figure.

Quelle particule Thomson a-t-il découverte avec cet appareil et quelle est sa charge électrique ?

Dans l'exposition « Les détectives de l'atome », quatre panneaux sont mal placés. Associer chaque description à son scientifique : Dalton, Thomson, Rutherford ou Bohr.

1. a) « L'atome est une sphère pleine et indivisible. »
2. b) « Les électrons sont incrustés dans une sphère de charge positive, comme les raisins secs dans un pudding. »
3. c) « Presque tout l'atome est vide et la charge positive est concentrée dans un noyau très petit. »
4. d) « Les électrons ne peuvent occuper que certaines orbites permises. »

Dans l'expérience de la feuille d'or, trois choses ont été observées : la plupart des particules $\alpha$ traversaient la feuille sans être déviées, quelques-unes étaient déviées et, très rarement, l'une d'elles rebondissait vers l'arrière, comme le montre la figure.

Écrire la conclusion que Rutherford a tirée de chacune des trois observations.

Lors d'un débat en classe, Nora soutient que l'expérience de la feuille d'or a ruiné le modèle de Thomson. Si l'atome était vraiment une sphère de charge positive avec des électrons incrustés, que devrait-il arriver aux particules $\alpha$ en arrivant sur la feuille ? Quelle observation de l'expérience ne correspond pas à cette prévision ? Justifier la réponse.

Le modèle de Rutherford est appelé « modèle planétaire » parce qu'il rappelle le système solaire, comme le montre la figure.

Indiquer une ressemblance et une différence entre les planètes qui tournent autour du Soleil et les électrons qui tournent autour du noyau (réfléchir à la force qui maintient chaque système).

Pour expliquer le modèle de Bohr, un professeur compare un escalier à un toboggan, comme sur la figure : sur l'escalier, on ne peut se tenir que sur une marche, mais sur le toboggan, on peut s'arrêter à n'importe quelle hauteur.

Associer chaque image à l'un des deux modèles, celui de Rutherford et celui de Bohr, et expliquer ce que représente chaque marche de l'escalier.

Ces quatre descriptions de modèles atomiques sont dans le désordre :

1. a) « Les électrons tournent autour d'un noyau central, comme les planètes autour du Soleil. »
2. b) « L'atome est une boule pleine et indivisible. »
3. c) « Les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbites permises. »
4. d) « L'atome est une sphère positive avec des électrons incrustés. »

Les classer par ordre chronologique, du modèle le plus ancien au plus récent, et écrire le nom du scientifique qui a proposé chacun d'eux.

Les anciens téléviseurs à tube fonctionnaient avec des rayons cathodiques, ceux-là mêmes avec lesquels Thomson a découvert l'électron en $1897$. L'électron est une particule qui sort de l'intérieur de l'atome : expliquer pourquoi cette découverte a obligé à modifier le modèle de Dalton.

Quand Rutherford a proposé son modèle, il ne pouvait pas ignorer ce que l'on savait déjà : par exemple, que les atomes sont électriquement neutres. Expliquer comment la neutralité de l'atome s'intègre dans le modèle de Rutherford (noyau positif et électrons) et pourquoi un nouveau modèle doit aussi expliquer les faits que le précédent expliquait déjà bien.

Imaginer que, dans l'expérience de la feuille d'or, la plupart des particules $\alpha$ aient rebondi vers l'arrière au lieu de traverser la feuille. Qu'aurait conclu Rutherford sur l'intérieur de l'atome dans ce cas ? De quel modèle parmi ceux que vous connaissez cette conclusion se rapprocherait-elle le plus ? Justifier les réponses.

Dans l'expérience de la feuille d'or, sur $8000$ particules $\alpha$ lancées, environ $7992$ traversaient la feuille sans être déviées, environ $7$ étaient déviées et seulement $1$ rebondissait.

1. a) Calculer le pourcentage de particules qui traversaient la feuille sans être déviées.
2. b) Quelle fraction des particules lancées rebondissait ?
3. c) À partir de ces nombres, expliquer pourquoi Rutherford a affirmé que l'atome est essentiellement vide et que le noyau est minuscule.

Pour expliquer les modèles, un groupe d'élèves utilise une pastèque avec ses pépins comme image du modèle de Thomson.

1. a) Expliquer ce que représente chaque partie de la pastèque dans ce modèle.
2. b) Proposer un objet ou une situation de la vie quotidienne qui représente le modèle de Rutherford et expliquer ce qu'est chaque élément.
3. c) Aucune comparaison n'est parfaite : indiquer un défaut de l'image de la pastèque comme modèle de l'atome.

Dans un exposé, Paul écrit : « Le modèle de Dalton était faux, donc il n'a servi à rien ». Vous n'êtes pas d'accord. Expliquer deux choses que le modèle de Dalton expliquait bien (pourquoi il existe des éléments différents et comment leurs atomes se combinent) et une chose qu'il ne pouvait pas expliquer et qui a obligé à le modifier.

Les particules $\alpha$ ont une charge positive, comme le noyau de l'atome, comme le montre la figure.

1. a) En utilisant les forces entre charges électriques, expliquer pourquoi une particule $\alpha$ qui passe près du noyau est déviée de sa trajectoire.
2. b) Pourquoi les particules qui rebondissent vers l'arrière sont-elles précisément celles qui s'approchent le plus du noyau ?
3. c) Si la feuille était bombardée avec des particules sans charge, s'attendrait-on à observer les mêmes déviations ? Justifier.

Rédiger un court article d'encyclopédie intitulé « L'histoire de l'atome en quatre modèles ». Pour chaque scientifique (Dalton, Thomson, Rutherford et Bohr), indiquer ce qu'a apporté son modèle et quelle observation ou quelle expérience le soutenait.

Des scientifiques reproduisent l'expérience avec une feuille d'un métal différent de l'or et observent que deux fois plus de particules $\alpha$ rebondissent, même si elles restent très peu nombreuses.

1. a) L'idée que l'atome est essentiellement vide est-elle toujours valable ? Pourquoi ?
2. b) Proposer une hypothèse expliquant pourquoi plus de particules rebondissent avec ce métal (penser à ce que peut être son noyau par rapport à celui de l'or).
3. c) Quelle nouvelle expérience réaliser pour tester votre hypothèse ? Justifier les réponses.

Le modèle de Rutherford posait un problème : selon la physique de l'époque, un électron tournant autour du noyau devrait perdre de l'énergie et finir par tomber sur celui-ci, comme le montre la figure, et les atomes ne seraient alors pas stables.

1. a) Expliquer ce que Bohr a proposé pour éviter cette chute de l'électron.
2. b) Pourquoi dit-on que Bohr a ajouté une « règle nouvelle » plutôt que de se contenter de mieux dessiner les orbites de Rutherford ?

Votre cousin de huit ans vous demande pourquoi les dessins de l'atome changent dans les livres de sciences. Lui écrire une explication simple (vous pouvez comparer cela à la mise à jour d'une carte quand on découvre un nouveau chemin) en lui racontant comment on est passé du modèle de Dalton à celui de Bohr et quel rôle les expériences ont joué dans ces changements.