Physique Atomique

(1)

Par Prof.C.A.KIWANGA (in memoriam)

African Virtual university Université Virtuelle Africaine Universidade Virtual Africana

Physique Atomique

(2)

Université Virtuelle Africaine

Note

Ce document est publié sous une licence Creative Commons.

http://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons Attribution

http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/

License (abréviation « cc-by »), Version 2.5.

(3)

I. La physique atomique _______________________________________ 5 II. Prérequis ________________________________________________ 5 III. Temps d’apprentissage requis ________________________________ 5 IV. Matériel didactique _________________________________________ 5 V. Importance du module ______________________________________ 5 VI. Contenu__________________________________________________ 6 6.1 Aperçu________________________________________________ 6 6.2 Organisation ___________________________________________ 7 6.3 Représentation graphique _________________________________ 8 VII. Objectif général ____________________________________________ 9 VIII. Objectifs spécifiques liés aux activités d’apprentissage _____________ 9 IX. Évaluation préliminaire _____________________________________ 11 X. Activités d’enseignement et d’apprentissage _____________________ 16 XI. Concepts-clés (glossaire) __________________________________ 112 XII. Lectures obligatoires ______________________________________ 114 XIII. Ressources multimédias (optionnelles) _______________________ 118 XIV. Liens utiles _____________________________________________ 120 XV. Synthèse du module ______________________________________ 124 XVI. Évaluation sommative _____________________________________ 125 XVII. Références bibliographiques ________________________________ 129 XVIII. Auteur du module _______________________________________ 130 XIX. Structure du fichier _______________________________________ 131

Table des maTières

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Préface

Ce module comporte cinq sections principales.

La première est la section INTRODUCTION, qui contient elle-même cinq parties :

TITRE : On y définit le titre du module

PREREQUIS : Dans cette section, on vous renseigne sur les connaissances et aptitudes préalables requises pour débuter ce module. Prenez le soin de bien les regarder afin de savoir si vous devez faire une révision avant de commencer.

TEMPS D’APPRENTISSAGE REQUIS : On vous donne le temps estimé (en heures) qui sera requis pour apprendre ce module. Toutes les autoé- valuations, les activités et les évaluations doivent être terminées dans le temps spécifié.

MATÉRIEL DIDACTIQUE : Vous trouverez ici la liste de matériel requis pour compléter ce module. Une partie du matériel fait partie de kit de cours que vous recevrez sur CD-ROM ou que vous trouverez sur Internet. Le matériel recommandé pour procéder à certaines des expériences peut être obtenu de votre institution d’accueil (une institution partenaire de l’UVA), mais vous pouvez l’obtenir ou l’emprunter par d’autres moyens.

IMPORTANCE DU MODULE : Dans cette section, vous aurez les réponses à des questions comme : « Pourquoi devrais-je étudier ce module en tant qu’enseignant stagiaire ? Quelle est sa pertinence pour ma carrière ? » La deuxième est la section CONTENU qui comprend trois parties :

APERÇU : Le contenu du module est exposé brièvement. Dans cette section, vous trouverez un fichier vidéo (QuickTime movie) dans lequel l’auteur de ce module est interviewé à propos de ce module. Le paragraphe d’aperçu est suivi d’un énoncé sur l’organisation du contenu et d’une estimation du temps requis pour compléter chaque section. On trouvera ensuite une représentation graphique du contenu. Ceci vous aidera à vous faire une idée de l’organisation du contenu à travers le module.

OBJECTIF GÉNÉRAL : On y trouve des objectifs clairs, concis et compré- hensibles pour vous donner une idée des aptitudes et des connaissances que vous devrez posséder à la fin de ce module.

OBJECTIFS SPÉCIFIQUES LIES AUX ACTIVITÉS D’APPRENTISSAGE : Chacun des objectifs spécifiques statués dans cette section est au cœur de toute activité d’enseignement. Les unités, les éléments et les thèmes du module sont destinés à vous permettre d’atteindre les objectifs spécifiques et toute évaluation est basée sur ces objectifs. On vous recommande vive- ment de porter attention à ces objectifs spécifiques, car ils vous permettront de cibler votre étude.

(5)

La troisième section contient l’essentiel du module, c’est la section qui prendra le plus de temps. Il s’agit de la section des ACTIVITÉS D’APPREN- TISSAGE ET D’ENSEIGNEMENT l’essentiel des neuf parties est énuméré ce dessous :

EVALUATION PRELIMINAIRE : Cette section comporte une série de questions qui évalueront de façon quantitative votre niveau de préparation aux objectifs spécifiques du module. Ces questions vous aideront à repérer ce que vous savez déjà et ce que vous devrez apprendre, vous pourrez donc voir à quel point vous maîtrisez la matière. Une charte de réponse et des commentaires pédagogiques sont fournis à la fin.

ACTIVITÉS D’ENSEIGNEMENT ET D’APPRENTISSAGE : C’est ici le cœur du module. Vous devrez bien suivre les conseils au cours de cette section. On y trouve divers types d’activités que vous devrez toutes faire.

À certains moments, vous ne suivrez pas nécessairement l’ordre des ac- tivités. Il est important de s’assurer que :

- Toutes les évaluations formatives et sommatives doivent être effective- ment faites

- Toutes les lectures obligatoires sont à consulter - Vous aurez à visiter le plus de liens utiles possible - Vous donnerez une rétrospective à l’auteur

LISTE DES CONCEPTS-CLÉS (GLOSSAIRE) : Cette Section comprend des définitions courtes et concises de différents termes utilisés dans le module.

Ceci vous aidera à comprendre certains termes que vous ne connaissez peut-être pas.

LECTURES OBLIGATOIRES : Un minimum de trois lectures obligatoires sont fournies, il est obligatoire de les lire.

RESSOURCES MULTIMÉDIAS (OPTIONNELLES) : Cette section contient une liste de références à des ressources multimédias du domaine public.

Elles sont nécessaires pour compléter les activités d’apprentissage.

LIENS UTILES : Cette section contient une liste d’au moins dix sites Web pertinents qui vous aideront à comprendre les sujets traités dans le module.

Chaque lien est présenté à l’aide d’une référence complète (titre, URL), une capture d’écran ainsi qu’une description de cinquante mots.

SYNTHÈSE DU MODULE : Cette section contient un sommaire du module.

ÉVALUATION SOMMATIVE : Bon travail.

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i. Physique atomique

Par Pr. C.A. Kiwanga (in memoriam), Université ouverte de Tanzanie

ii. Prérequis

Avant de commencer ce module, vous devez : bien connaître le calcul infinitésimal et la géométrie préuniversitaires , avoir appris les modules de physique Mécanique 1 & 2, Ondes et optique, Physique thermique, Électricité 1 & 2 et Physique quantique.

iii. Temps d’apprentissage requis

L’étude personnelle de ce module devrait vous prendre environ 120 heures.

Vous devriez allouer plus de temps aux activités 1 et 3 qu’aux activités 2 et 4. La charge de travail devrait être équivalente à 40 heures pour le modèle atomique, 20 heures pour les décharges électriques, 40 heures pour le spectre atomique et 20 heures pour les rayons X.

iV. matériel didactique

La liste suivante énumère et décrit l’équipement nécessaire pour toutes les acti- vités de ce module.

1. Ordinateur (avec accès Internet) : Un ordinateur avec un programme de traitement de texte et un tableur.

2. Tableau périodique des éléments 3. Une règle d’un mètre de longueur

V. importance du module

La physique atomique peut être définie de façon générale comme l’étude de la structure de l’atome, ses états d’énergie et ses interactions avec les autres champs et particules. Apprendre la physique atomique est vital non seulement pour comprendre la physique de l’atome, mais également pour comprendre les applications technologiques. Par exemple, le fait que chaque élément possède sa propre empreinte spectrale a contribué à d’importantes avancées en sciences des matériaux et en cosmologie.

(7)

Vi. Contenu

6.1 Aperçu

Dans ce module, vous apprendrez à propos d’un sujet important en physique, la physique atomique. C’est l’un des éléments essentiels de ce que l’on appelle la physique moderne, une discipline scientifique qui est née entre la fin du 19^e siècle et le début du 20^e siècle. Vous serez édifiés sur les développements histo- riques des théories atomiques, les travaux de Dalton, Thompson, Rutherford et Bohr. Ces quatre scientifiques tiennent une place spéciale dans le développement de la physique atomique. Les travaux de Dalton et de Thompson ont établi les fondations sur lesquelles Rutherford et Bohr ont bâti leurs théories, au point que les modèles développés par ces derniers sont, dans une certaine mesure, toujours en usage. Vous serez donc amenés à résoudre des problèmes liés aux modèles atomiques de Rutherford et de Bohr.

Dans l’activité d’apprentissage 2 de ce module, vous apprendrez des choses relatives au phénomène de décharge gazeuse et à l’origine des rayons cathodiques.

Ce phénomène a été un véritable casse-tête pour les scientifiques de l’époque, mais a contribué à l’importante découverte de l’électron, la première particule subatomique à avoir été découverte. Vers la fin de l’activité d’apprentissage, vous ferez l’expérience de la goutte d’huile de Millikan qui mena à la découverte que la charge électrique est corpusculaire ou quantifiée.

Dans l’activité d’apprentissage 3, vous apprendrez des choses relatives à l’évolu- tion du spectre atomique et à l’unicité du spectre atomique pour chaque élément.

Cette unicité a des implications scientifiques et technologiques.

Dans l’Activité d’apprentissage 4, vous apprendrez des choses relatives à l’origine des rayons X, au développement du spectre des rayons X et à l’unicité du spectre de rayons X de chaque élément. Vers la fin de l’unité, nous résoudrons des pro- blèmes à l’aide de la loi de Moseley et nous verrons finalement les applications des rayons X comme outil d’analyse.

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6.2 .Organisation

Modèle atomique (40 heures)

• Les modèles de Dalton et de Thompson

• L’expérience de division alpha de Rutherford

• Le modèle atomique planétaire de Rutherford

• Le modèle atomique de Bohr

• Les postulats de Bohr

Décharges électriques (20 heures)

• La découverte des rayons cathodiques

• La variation « luminescente » des tubes cathodiques selon la pression

• Les propriétés des rayons cathodiques Le spectre atomique (40 heures)

• Les nombres quantiques

• Les couplages de moments angulaires

• Le modèle vectoriel d’un atome

• L’effet Zeeman

• La fine structure du spectre de l’hydrogène

• Les spectres d’émission et d’absorption

• Le principe d’exclusion de Pauli

Rayons X (20 heures)

• Les propriétés de production et les caractéristiques des spectres de rayons X

• La diffraction des rayons X

• L’équation de Bragg et le spectromètre à cristal

• Les spectres de rayons X des éléments atomiques

• La loi de Moseley

(9)

6.3. Représentation graphique

8

(10)

Vii. Objectif général

L’objectif de ce module est de vous guider de manière chronologique à travers le développement de la physique atomique. Vous commencerez par étudier les modèles atomiques de Dalton, de Thompson, de Rutherford et, pour finir, de Bohr.

Vous apprendrez ensuite un phénomène qui mena à la découverte de l’électron et de sa charge négative. Les expériences sur les décharges gazeuses ont également établi comment les atomes pouvaient être excités.

Après avoir terminé ce module vous devriez être en mesure de :

• Comprendre le développement des théories atomiques

• Résoudre les problèmes reliés aux spectres d’émission et d’absorption des atomes

• Décrire la production de rayons X et leur interaction avec la matière

Viii. Objectifs spécifiques aux activités d’apprentissage

Contenu

Modèle atomique (40 heures) • Les modèles de Dalton et de Thompson • L’expérience de division alpha de Rutherford • Le modèle atomique planétaire de Ruther-

ford

• Le modèle atomique de Bohr • Les postulats de Bohr

Objectifs d’apprentissage

Au terme de la section vous devrez être en mesure de :

• Décrire les caractéristiques des modèles atomiques de Dalton et de Thompson

• Résoudre des problèmes liés à l’expérience de division alpha

• Résoudre des problèmes en utilisant les postulats de Bohr

Décharges électriques (20 heures) • La découverte des rayons cathodiques

• La variation « luminescente » des tubes cathodiques selon la pression • Les propriétés des rayons cathodiques

• Expliquer le phénomène de décharge sous différentes pressions

• Expliquer pourquoi les rayons cathodiques sont des électrons

• Décrire le contexte et le but de l’expérience de la goutte d’huile de Millikan

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Le spectre atomique (40 heures) • Les nombres quantiques

• Les couplages de moments angulaires • Le modèle vectoriel d’un atome • L’effet Zeeman

• La fine structure du spectre de l’hydrogène • Les spectres d’émission et d’absorption • Le principe d’exclusion de Pauli

• Utiliser le modèle vectoriel de l’atome pour résoudre des problèmes et expliquer des propriétés

• Expliquer la fine structure des spectres

Rayons X (20 heures)

• Les propriétés de production et les caracté- ristiques des spectres de rayons X • La diffraction des rayons X

• L’équation de Bragg et le spectromètre à cristal

• Les spectres de rayons X des éléments atomiques

• La loi de Moseley

• Expliquer l’origine atomique des rayons X • Déterminer les rayons X caractéristiques

des rayonnements Bremsstrahlung • Utiliser la règle de Bragg pour résoudre des

problèmes

• Résoudre des problèmes en utilisant la loi de Moseley

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iX. Évaluation préliminaire

Êtes-vous prêt pour le module de physique atomique ? Cher étudiant

Dans cette section, vous trouverez des questions d’autoévaluation qui vous aideront à évaluer votre niveau d’appropriation de ce module. Vous devriez vous juger vous-mêmes avec sincérité et prendre les mesures nécessaires après avoir terminé l’autoévaluation. Vous êtes encouragés à prendre le temps nécessaire de répondre aux questions.

Cher moniteur,

Les questions d’évaluation préliminaire sont destinées à aider l’étudiant à savoir s’il est prêt à entreprendre l’étude de ce module. Il est fortement conseillé de suivre les recommandations données selon la note de l’étudiant. En tant que moniteur, vous devriez encourager vos étudiants à s’autoévaluer en répondant à toutes les questions ci-dessous. Les recherches en éducation démontrent que ceci aidera les étudiants à être mieux préparés et à exprimer leurs connaissances antérieures.

L’autoévaluation concernant la physique atomique

Évaluez votre niveau de préparation à suivre ce module sur la physique atomique.

Si votre note est supérieure ou égale à 60 sur 75, vous être prêts à faire ce module.

Si votre note est entre 40 et 60, vous devriez réviser vos notes de physique en mécanique, en électromagnétisme et en physique moderne. Une note en dessous de 40 sur 75 indique que vous devez revoir vos bases en physique.

Toutes les questions sont à choix multiples. L’étudiant doit choisir la réponse la plus appropriée et se donner 5 points pour chaque bonne réponse.

1.

Avant 1945, l’atome était défini comme la plus petite :

a) Particule à charge électrique

b) Particule divisible c) Particule indiscernable d) Particule indivisible

2.

Les couleurs de l’arc-en-ciel sont telles que :

a) Seules les couleurs primaires sont présentes b) Le noir et le blanc sont également présents

c) Le violet et le rouge se trouvent à chaque extrémité du spectre d) Aucune de ces réponses

(13)

3.

Un élément essentiel dans une expérience sur la dispersion de la lumière blanche est :

a) Une lentille convexe double b) Un bloc de verre rectangulaire c) Un miroir incurvé

d) Un prisme de verre triangulaire 4.

Les rayons X sont :

a) Des particules subatomiques voyageant à des vitesses relativistes b) Produits lorsqu’un métal solide est chauffé à des températures avoisinant

son point de fusion

c) Du côté des longueurs d’onde courtes sur le spectre électromagnétique d) Du côté des basses fréquences sur le spectre électromagnétique 5.

En physique classique

a) Un électron se déplace avec une longueur d’onde de Broglie associée b) Une particule est associée avec n’importe quel phénomène d’onde c) Le principe d’exclusion de Pauli s’applique

d) Aucune de ces réponses

6.

La dérivation phénoménologique de l’équation de Schrödinger a été inspirée par deux équations en physique classique :

a) L’équation d’onde et de la deuxième loi du mouvement de Newton b) L’équation d’onde et la première loi du mouvement de Newton c) L’équation d’Ampère-Maxwell et l’équation d’onde

7.

Un résultat clé de la mécanique quantique est :

a) La distinction entre la matière et les phénomènes d’onde b) La catastrophe ultraviolette

c) La non-distinction des phénomènes d’onde et des particules subatomiques en mouvement

d) La découverte de la charge négative dans les rayons cathodiques

8.

L’équation aux dérivées partielles pour l’atome d’hydrogène est plus facilement résolue en utilisant :

a) Les coordonnées cartésiennes b) Les coordonnées cylindriques c) Les coordonnées polaires sphériques

d) Aucun des systèmes de coordonnées mentionnés

(14)

9.

Une particule se déplace de façon circulaire avec une vélocité tan- gentielle v. Si r est le rayon du cercle, l’accélération de la particule se traduit par :

a) v/r b) v²/r c) mvr d) mv/r²

10.

Si la particule de la question 9 possède une masse m, le moment an- gulaire L de la particule est donné par la formule :

a) mv/r b) mv²/r c) mvr d) mv/r²

11.

Le vecteur du moment angulaire de la particule des deux questions précédentes est donné par L r r r r = �

p

où

pr

est le moment linéaire. La composante de

Lr

est donnée par :

a)

L

_z

= xp

_y

− yp

_x

b) L^z = yp^z−zp^y c) L^z = xp^x −yp^y d) L^z = zp^z −yp^y

12.

Une charge sphérique positive Q a un rayon R. La magnitude du champ électrique à un point situé à une distance r<R du centre est donnée par :

a)

2

4

0

E r Q

= πε

b) ⁰

1

E 4 Q

πε r

=

c) 4 ⁰

E r Q

= πε

d) ⁰ ²

1 4 E Q

πε r

=

∧

(15)

13. La quantification le l’énergie électromagnétique est résumée par l’équa- tion :

a) E=mc2 b) E=hw c) E=hn d) E=hc

14.

Un atome excité est un atome dont l’état d’énergie est :

a) Supérieur à l’état fondamental

b) Inférieur à l’état fondamental c) Le même que l’état fondamental d) Aucune de ces réponses

15.

En ce qui concerne l’énergie, la lumière violette :

a) Est plus énergétique que la lumière rouge

b) Est mois énergétique que la lumière rouge c) Possède la même énergie que la lumière rouge d) Aucune de ces réponses

16.

La longueur d’onde de la lumière violette :

a) Est plus longue que celle de la lumière rouge b) Est plus courte que celle de la lumière rouge c) Est égale à celle de la lumière rouge

17.

Une particule de masse m possédant une charge Q tombe entre deux plaques parallèles chargées. Si le champ électrique entre les plaques est EV/m agissant vers le haut et que le milieu entre les deux plaques est visqueux, créant une force de traînée bv, la relation entre les différentes forces est donnée par :

a) mg qE bv r = r + r b)

r r r

mg qE - bv

= c)

^{mg bqE}⁼ ^∧^v

r r r

d) mg bqE .v = r r

(16)

18.

La condition pour la diffraction de la lumière est que la longueur d’onde :

a) Soit proportionnelle à la largeur de la fente

b) Soit plus grande en proportion à la largeur de la fente

c) Soit beaucoup plus petite en proportion à la largeur de la fente

d) Peut avoir n’importe quelle valeur relativement à la largeur de la fente 19.

L’énergie d’ionisation est l’énergie nécessaire pour :

a) Enlever un électron d’orbitale inférieure à un atome gazeux b) Enlever un électron de l’orbitale supérieure à un atome gazeux

c) Élever un électron de la couche K à la couche M dans un atome gazeux d) Aucune de ces réponses

20.

L’énergie de liaison d’un atome est l’énergie nécessaire pour :

a) Exciter un électron de couche inférieure

b) Enlever un électron de couche supérieure c) Enlever un électron de couche inférieure d) Implanter un électron dans l’orbitale inférieure Réponses

1. d 2. c 3. d 4. c 5. d 6. a 7. c 8. c 9. b 10. c

Commentaire pédagogique pour l’étudiant

Les questions auxquelles vous venez de répondre sont destinées à évaluer votre niveau de préparation pour ce module. Ce module a comme point de départ vos prérequis et donc le résultat est indicatif du niveau de préparation de l’étudiant.

Tout résultat inférieur à 50% signifie que vous avez beaucoup de rattrapage à faire avant le commencement de ce module.

11. a 12. c 13. c 14. a 15. a 16. b 17. b 18. a 19. b 20. c

(17)

X. activités d’enseignement et d’apprentissage

Activité 1 : Les modèles atomiques

Vous aurez besoin de 40 heures pour compléter cette activité. Vous aurez d’abord des lectures, des vidéos multimédias et des exemples, puis des questions et des problèmes d’autoévaluation. Il vous est fortement suggéré de consulter tout le matériel obligatoire et le plus possible de références et de liens utiles.

Objectifs spécifiques d’enseignement et d’apprentissage

• Caractériser les modèles atomiques de Dalton et de Thompson

• Résoudre des problèmes liés à l’expérience de diffusion alpha

• Résoudre des problèmes à l’aide des postulats de Bohr Résumé de l’activité d’apprentissage

L’activité d’apprentissage 1 établit les fondations du module entier. L’activité commence en examinant la matière d’une perspective historique. Les modèles atomiques des fondateurs de la physique atomique, soit Dalton, Thompson, Rutherford et Bohr, y sont présentés. En dernier, nous introduisons le concept de chiffre quantique et nous parlerons du principe d’exclusion de Pauli.

Lectures obligatoires Lecture 1 : Atomic Models

Référence complète : De : Wikipedia

URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_physics Consulté le 20 avril 2007

Résumé: Cette lecture est une compilation de l’article Wikipédia indiqué ci-haut et des différents liens disponibles sur la page. Les sections sur le modèle atomique de Dalton, le modèle plum pudding de Thompson, l’expérience de diffusion alpha de Rutherford qui mena au modèle planétaire de l’atome et la physique quantique sont traitées.

Justification : Le matériel de cette compilation est essentiel à la première activité de ce module.

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Lecture 2 : Bohr Model of Hydrogen Atom

Référence complète : http://musr.physics.ubc.ca/~jess/hr/skept/QM1D/node2.

html

Consulté en juin 2007

Résumé : Le modèle de l’atome d’hydrogène de Bohr est présenté de façon concise en trois pages Web. Il est suggéré de commencer par la page mise en référence puis d’utiliser le lien next pour aller aux dérivations du rayon de Bohr, et cliquer next une nouvelle fois pour le calcul des niveaux d’énergie.

Justification : Le matériel est présenté d’une façon qui est facile à suivre.

Lecture 3 : Theory of Rutherford Scattering

Référence complète : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/rutcon.

html#c1

Résumé : La physique de diffusion en relation avec le modèle atomique de Rutherford est très bien présentée. Vous aurez à suivre l’organisation présentée dans la page de référence et cliquer sur chaque lien tel que présenté dans l’organisation.

Justification : Le matériel présenté dans ce lien est essentiel et pertinent au cours.

Ressources multimédias

Référence : http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl Consulté en décembre 2006

Description : Il s’agit d’un merveilleux applet où l’on crée son propre atome.

En accédant à la page accueil de Physics 2000, cliquez sur la table des matières, puis allez sur Science Trek et cliquez sur Electric Force. Placez votre curseur à environ cinq centimètres du proton. Appuyez et déplacez l’électron ainsi créé à 45° ou plus du noyau et relâchez-le. Regardez ensuite l’électron effectuer une orbite elliptique autour du proton. Vous serez surpris du nombre d’ « atomes orbitaux » qui n’entrent pas en collision que vous pouvez créer autour du noyau.

Référence : http://www.weaowen.screaming.net/revision/nuclear/rsanim.

htm

Consulté en avril 2007

Description : Il s’agit d’une simulation de l’expérience de diffusion des particules alpha contre une cible en or. Dans cette simulation, le noyau est représenté par un point jaune et la particule alpha par un point rouge qui est plus petit. Une diffusion effectuée par l’étudiant en suivant la marche à suivre concernant le choix d’énergie de la particule alpha, le déplace-

(19)

ment du point rouge puis en appuyant sur le bouton « fire ». Vous devez effacer les traces avant la diffusion suivante. Si rien ne se passe lorsque vous cliquez sur « fire », essayez de nouveau. Implémentation d’une série de la marche à suivre constitue une expérience. L’expérience suivante commence en appuyant sur le bouton « next » pour rétablir la position de la particule alpha. Après plusieurs diffusions vous devez effacer les traces.

L’énergie de la particule alpha est comprise entre 8 et 25 eV.

Référence : http://www.physics.brown.edu/physics/demopages/Demo/mo- dern/demo/7d5010.htm

Résumé : Une animation du dispositif expérimental de la diffusion alpha de Rutherford est exposée. 400 particules alpha sont lancées contre une mince feuille d’or.

Référence : http://webphysics.davidson.edu/Applets/pqp_preview/contents/

pqp_errata/cd_errata_fixes/section4_7.html Consulté en juin 2007

Résumé : Il s’agit d’une animation de la diffusion Rutherford dans laquelle vous pouvez inscrire vos propres valeurs pour le nombre de particules alpha, l’énergie cinétique, la charge nucléaire de la cible et le paramètre d’impact.

Référence : http://www.control.co.kr/java1/masong/absorb.html Consulté en avril 2007

Description : Il s’agit d’un applet Java démontrant le spectre d’absorption d’un atome de Bohr.

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Liens utiles

Ressource #1

Titre : From Bohr’s Atom to Electron Waves

URL: http://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/Bohr_to_Waves/Bohr_to_Wa- ves.

Html

Capture d’écran :

Reactions to Bohr’s Model

Bohr’s interpretation of the Balmer formula in terms of quantized angular momen- tum was certainly impressive, but his atomic model didn’t make much mechanical sense, as he himself conceded……

Description : Une description chronologique du travail de Niels Bohr qui a eu la quantification du moment angulaire pour point culminant.

Justification : L’article est l’une des nombreuses conférences en physique mo- derne données par Pr Michael Fowler. Vous devriez aller sur la page d’accueil de Physics 252 et lire autant de conférences possibles sur les atomes, les particules et les ondes.

Consulté en avril 2006 Ressource #2

Titre : Chapter 27: Early Quantum Theory and Models of the atom URL: http://www.google.com/search?q=cache:p4PiiJqdDkwJ:cherenkov.phy- sics.iastate.

edu/~mkpohl/teach/112/ch27.pdf+MODELS+OF+THE+ATOM&hl=en&ct=c lnk&cd=79

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Description : Cet article est une présentation Power Point des débuts de la théorie quantique et des premiers modèles atomiques : Thompson, Rutherford et Bohr.

Justification : Le matériel est présenté de manière concise et incisive et il vous est fortement suggéré de le lire. Pour y accéder, suivez le lien ci-haut puis cliquez sur ce lien : http://cherenkov.physics.iastate.edu/~mkpohl/teach/112/ch27.pdf.

Ressource #3

Titre : Atomic Physics

URL : http://theory.uwinnipeg.ca/physics/bohr/node1.html Capture d’écran:

Description : Sur ce site vous trouverez divers liens qui vous aideront à explorer le modèle des atomes d’hydrogène de Bohr et ses extensions. Ce modèle a été l’un des plus grands succès des débuts de la théorie quantique, et a amené divers champs d’investigation qui sont toujours d’actualité.

Justification : Le matériel contenu dans cette ressource est pertinent au mo- dule.

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Ressource #4

Titre : Atomic Models and Spectra

URL : http://online.cctt.org/physicslab/content/Phy1/lessonnotes/atomic/atomi- cmodelsandspectra.asp

Capture d’écran:

Description: Un exposé chronologique des travaux de Rutherford sur la diffusion des particules alpha et de l’émergence du noyau.

Justification : Le matériel vous sera utile.

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Ressource #5

Titre : Rutherford Scattering

URL : http://www.ux1.eiu.edu/~cfadd/1160/Ch29Atm/Ruthrfd.html Capture d’écran:

Description: Des notes concises sur la diffusion Rutherford.

Justification : Cet article fait partie d’une série de notes de conférence en phy- sique atomique. Suivez les liens pour plus d’informations.

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Ressource #6

Titre : Atomic Structure Concepts

URL : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/atomstructcon.

html#c1

Capture d’écran:

Description : C’est une ressource très utile et presque exhaustive sur la physi- que de l’atome d’hydrogène. Vous devez suivre les boîtes de façon séquentielle, en commençant avec la boîte Hydrogen energy levels, dans laquelle vous serez ensuite guidé vers le modèle de Bohr, etc.

Justification : Cet article fournit des liens à presque tous les concepts pertinents au module.

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Description détaillée de l’activité (principaux éléments théoriques)

Introduction

Dans la Grèce antique, il existait deux écoles de pensée concernant la structure de la matière, soit la théorie atomique qui stipulait une nature corpusculaire de la matière et la théorie de la matière continue, énoncée par Aristote. Dû au fait que la théorie de la matière continue ait été énoncée par un personnage aussi éminent, la théorie atomique a longtemps été reléguée dans l’ombre.

Le modèle atomique de Dalton

John Dalton, au début du 19^e siècle, a proposé un modèle atomique qui a permis une étude quantitative limitée de l’atome.

Le modèle de Dalton consistait en des atomes petits, indivisibles et indes- tructibles, comme des boules de billard, et que chacun des atomes avait une masse, une taille et un comportement chimique dépendant de l’élément auquel il appartient.

Le modèle de Dalton ne dit rien à propos de la composition et de la structure interne de l’atome.

Le modèle atomique de Thompson

Vers la fin du 19e siècle, beaucoup de données spectroscopiques avaient été récoltées, à l’aide des développements en films photographiques, en tubes à décharge gazeuse et en réseaux de diffraction. Les caractéristiques du spectre atomique pour chaque élément avaient été établies. Cependant, il manquait une base théorique pour expliquer les observations.

J.J. Thompson, ayant établi que les rayons cathodiques étaient chargés négati- vement, subséquemment appelés électrons, émit l’hypothèse que les électrons faisaient partie de l’atome. Il proposa un modèle de l’atome comme une sphère pleine d’une substance électrique chargée positivement mélangée avec des élec- trons négatifs « comme des raisins dans un pain ». Le modèle de Thompson est fréquemment appelé le modèle « plum pudding ».

Pour prendre un exemple plus africain, on pourrait comparer l’atome de Thompson à une goyave sphérique symétrique.

Tompson expliquait les raies spectrales en suggérant que les électrons rayonnaient lorsqu’ils oscillaient dans le « pudding positif ». Cependant, cette théorie ne pou- vait pas expliquer les paquets d’ondes précis émis par différents éléments.

(26)

Le modèle atomique de Rutherford

Sir Ernest Rutherford a proposé un modèle atomique basé sur les résultats de la diffusion de particules alpha. Selon son modèle, l’atome était composé en majorité d’espace vide avec un petit noyau chargé positivement contenant la plus grande part de la masse de l’atome. Ce noyau était lui-même entouré d’électrons négatifs qui tournaient autour, comme les planètes autour du Soleil.

Selon la théorie électromagnétique de Maxwell, une particule chargée se dépla- çant de façon circulaire émet de l’énergie et donc, l’électron dans l’atome de Rutherford perd constamment de l’énergie. Ceci implique que l’électron devrait se diriger vers le noyau et l’atteindre, ce qui ne se passe pas en réalité. Le modèle de Rutherford était une conception améliorée de l’atome, mais ne pouvait toujours pas en expliquer la stabilité.

De plus, selon la physique classique, l’énergie émise par un électron qui tourne autour du noyau devrait avoir toutes les fréquences, en d’autres mots, le spectre émis devrait être continu, ce qui n’est pas le cas. Le spectre émis consiste en des lignes discontinues sur fond foncé. Donc, le modèle de Rutherford ne pouvait pas expliquer les lignes de spectre des éléments.

Le modèle atomique de Bohr

Niels Bohr a proposé un modèle qui pourrait expliquer les divergences entre les lignes de spectre émises par les éléments qui étaient observées et les spectres anticipés par le modèle atomique de Rutherford.

Bohr a proposé les postulats suivants

1. Un électron dans un atome se déplace dans une orbite circulaire autour du noyau, sous l’influence des forces coulombiennes entre l’électron et le noyau.

2. Un électron se déplace sur une orbite pour laquelle son moment orbital angulaire [L] est un multiple entier de

3. Un électron de déplaçant sur une orbite donnée n’émet pas d’énergie électromagnétique. Donc, son total d’énergie E reste constant.

4. Le rayonnement électromagnétique est émis si un électron, se déplaçant initialement sur une orbite avec un total d’énergie E_i_,modifie son dé- placement de façon discontinue de manière à se déplacer avec une éner- gie totale E_f .La fréquence de rayonnement n est égale à la quantité

(

^Eⁱ ⁻^E ^f

)

^{/ h}

(27)

Le modèle atomique du nuage d’électrons

Le modèle en nuage représente une sorte d’histoire des déplacements probables de l’électron et de ses déplacements anticipés. Vous pouvez vous représenter un point au milieu d’une sphère principalement vide, pour représenter le noyau, et plusieurs autres plus petits points autour du noyau qui représentent des circons- tances où se trouvait l’électron. L’ensemble de ces traces se met rapidement à ressembler à un nuage.

La diffusion Rutherford

Adapté de Wikipédia, l’encyclopédie libre http://en.wikipedia.org/wiki/Ruther- ford_scattering

La diffusion Rutherford est un phénomène qui fut expliqué par Ernest Ruther- ford en 1911 et qui a mené à d’importantes avancées dans la théorie orbitale de l’Atome. La rétrodiffusion de Rutherford est une technique d’analyse utilisée en science des matériaux. La diffusion Rutherford est parfois appelée la diffusion de Coulomb puisqu’elle est basée sur des forces d’électricité statique (Coulomb).

Un procédé similaire, la diffusion profondément élastique, a permis de sonder l’intérieur des noyaux dans les années 1960’.

Les moments forts de l’expérience de Rutherford

• Un faisceau de particules (est braqué sur une mince feuille d’or.

• La majorité des particules passent sans être déviées.

• D’autres sont déviées à différents angles

• Certaines sont rétrodiffusées

Sir Ernest Rutherford

D’après ces résultats, Rutherford a conclu que la plus grande partie de la masse était concentrée en une région (le noyau) minuscule, chargée positivement et entourée d’électrons. Lorsqu’une particule alpha (positive) s’approchait assez près du noyau, elle était repoussée assez fort pour rebondir à des angles élevés.

La petite taille du noyau expliquait le petit nombre de particules alpha qui étaient ainsi repoussées. Rutherford a démontré, en utilisant la méthode ci-dessous, que la taille du noyau était de moins de 10^-14m.

(28)

La théorie de la diffusion Principales hypothèses

• La collision entre un noyau idéal, mais lourd, possédant une charge de Q=Ze, et un projectile léger possédant une charge de q=ze est considérée comme étant élastique,

• Le moment et l’énergie sont conservés,

• Les particules interagissent par la force de Coulomb

• La distance verticale du projectile est du centre de la cible, le paramètre d’impact b détermine l’angle de diffusion q.

Fig. 1.1 La géométrie de la diffusion Rutherford

La relation entre l’angle de diffusion q , l’énergie cinétique K = 1mv₀² 2 ^{et le} paramètre d’impact est donné par

( )

b zZ e cot /

K θ

= πε

2

0

2 4 2

...1.1

où z=2 pour la particule a et Z=79 pour l’or.

(29)

Une dérivation superficielle de la section efficace différentielle

Dans la Fig. 1.2 ou 1.3, une particule qui heurte l’anneau entre b et b + db est diffusée dans l’angle solide dW entre q+dq.

Par définition, la section efficace est la constante proportionnelle

( )

bdb sin d

π = −σ θ π θ θ

2 2

Donc,

d b db d d

d

σ π σ Ω

Ω

⎛ ⎞

= = ⎜ ⎟

⎝ ⎠

2 ...1.2

Où dΩ = 2π sinθ θd

La section efficace différentielle devient donc

d b db

d sin d

σ π

Ω = π 2 θ θ

2

...1.3 Des équations 1.1 et 1.3 nous obtenons

( )

d qQ

d K_α sin /

σ

Ω πε θ

⎛ ⎞ ⎛ ⎞

= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

2 2

0 4

1 1

4 4 2 ...1.4 L’équation 1.4 est appelée la section efficace différentielle pour la diffusion Rutherford.

Figure.1.2

Géométrie schématisée pour le calcul de la section efficace différentielle

(30)

Source : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/rutcon.html#c1 Figure.1.3

Arrangements géométriques détaillés pour le calcul de la section efficace diffé- rentielle

Dans les calculs ci-dessus, on ne considère qu’une seule particule a. Dans une expérience de diffusion, on doit considérer plusieurs événements de diffusion et mesurer la fraction des particules diffusées dans un angle donné.

Pour un détecteur à un angle spécifique par rapport au faisceau incident, le nombre de particules par unité de superficie heurtant le détecteur est donné par la formule de Rutherford :

( ) ( )

N nL Z k e

i

N θ r K E sin /

= θ

2 2 4

2 2 2

4 2

...1.5

Où N_i= nombre de particules-a

n = atomes par unité de volume dans la cible L = épaisseur de la cible

Z = numéro atomique de la cible e = charge électronique

k = constante de Coulomb

r = distance entre la cible et le détecteur KE = énergie cinétique des particules-a q = angle de diffusion

(31)

La variation prévue d’alphas avec un angle est suivie de près par les données Geiger-Marsden, montrées dans la Fig. 1.4 ci-dessous.

Figure.1.4 Vérification de la formule de Rutherford

Calcul de la taille nucléaire maximale

Pour les collisions frontales entre les particules alpha et les noyaux, toute l’éner-

gie cinétique 1mv²

2 se transforme en énergie potentielle et la particule est au repos.

La distance entre la particule alpha et le centre du noyau (b) à ce moment est une valeur maximale pour le noyau, s’il apparaît de l’expérience que les particules n’ont pas atteint le noyau.

Figure.1.5 Diffusion des différents paramètres d’impact

(32)

En appliquant l’énergie potentielle de Coulomb entre les charges de l’électron et

du noyau, on peut écrire :

q q mv

²

= πε

^{1 2}

b

0

1 1

2 4

En réarrangeant :

b q q

mv

= πε ^{1 2}₂

0

2 1

4

...1.6

Pour une particule alpha : m (masse) = 6,7 10^-27kg q₁ = 2 (1,6 10^-19)C

q₂(pour l’or) = 79 (1,6 10^-19) C v (vélocité initiale) - 2 10⁷ m/s

En substituant ces formules dans l’équation 1.6 on obtient la valeur du paramètre d’impact d’environ 2,7 10^-14m. Le vrai rayon est environ 7,3 10^-15m.

Le modèle de Bohr

Tiré de Wikipédia, l’encyclopédie libre : http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_mo- del

Figure1.6 Une image de Bohr de l’atome d’hydrogène

(33)

Dans le modèle de Bohr de l‘atome d’hydrogène (fig.1.6) on voit un électron chargé négativement confiné sur une couche atomique qui encercle un petit noyau atomique chargé positivement. Les sauts d’électron entre les différentes orbites sont accompagnés d’une une quantité émise ou absorbée d’énergie électroma- gnétique hn. Les orbites dans lesquelles les électrons voyagent sont illustrées comme des cercles gris; leur rayon augmente à n², où n est le nombre quantique principal. La transition 3→2 montrée ici est la première des séries de Balmer, et pour l’hydrogène (Z = 1) on obtient des photons possédant une longueur d’onde 656nm (rouge).

Expression du rayon de Bohr

Prenez le cas d’un ion avec une charge de noyau de Ze et un électron se déplaçant avec une vitesse constante et suivant un cercle de rayon r du centre du noyau. La force de Coulomb sur l’électron est :

F Ze

r

= πε

2 0 2

4

La force de Coulomb est équilibrée par la force centripète et nous obtenons donc :

Ze r πε

2 0 2

4

⁼

mv r

2

En utilisant la règle de quantification du moment angulaire de Bohr L mrv h

= = π =

2 h

Nous avons le n^ième rayon de Bohr _n

n h

r mZe

ε

= π

0 2 2

2 ...1.7 Et la vélocité de l’électron dans la n^ième orbite

n Ze

v = ε hn

2

2 0 ...1.8

(34)

Le modèle planétaire classique

Nous calculons l’énergie de l’atome d’hydrogène et la fréquence du mouvement orbital d’un atome de Bohr.

Énergie

Énergie mécanique totale E = E_k + E_p(cinétique + potentielle)

E mv ke

r

⎛ − ⎞

= + ⎜ ⎜ ⎟ ⎟

⎝ ⎠

2 2

1

2

...1.9 Où k

= πε

0

1 4

Le mouvement orbital est maintenu par la force de Coulomb

ke mv r

=

r

2 2

2 ⇒

mv ke

=

r

2 2 ...1.10

Nous voyons d’après les équations 1.9 et 1.10 que lorsqu’une orbite est circulaire, l’énergie cinétique est la moitié de la magnitude de l’énergie potentielle.

Ceci donne :

ke ke

E = r − r

2 2

1 2 E ke

= − r 1 2

2 ...1.11

Cette équation montre que l’énergie totale du système est négative. Comme le rayon orbital de l’électron r augmente, l’énergie E diminue et tend vers zéro.

Fréquence

La fréquence orbitale v

f r

ω

π π

= =

2 2 ...1.12

(35)

Où w est la vitesse orbitale angulaire de l’électron. D’après l’équation 1.10, nous obtenons

v ke r

=

mr

2 3

Substituant ceci dans l’équation (4), nous obtenons :

f ke

mr

= π

2 3

1

2 ...1.13

Pour l’atome H f=7 × 10¹⁵Hz, qui est dans la région ultraviolette du spectre électromagnétique.

Si l’électron rayonne, l’énergie E va diminuer en devenir encore plus négatif, et de l’équation (3) le rayon orbital r diminue également. La diminution de r dans l’équation 1.13 donne lieu à une augmentation de la fréquence f. Donc, quand l’énergie est rayonnée, E diminue, le rayon orbital r diminue également, ce qui augmente à son tour la fréquence orbitale f.

Ce modèle planétaire prévoit que l’électron tourne autour du noyau en émettant un spectre continu. Ce processus ne dure pas plus de

1 × 10^-8 s selon les calculs, un bien court laps de temps.

(36)

Tâche 1.1 Estimés selon les modèles de Thompson et de Rutherford

En utilisant les modèles de Thompson et de Rutherford, estimez le champ élec- trique sur la surface d’un atome d’or (modèle de Thompson) et sur la surface du noyau (modèle de Rutherford). Supposez que le diamètre atomique est de 1× 10^-10 m et que le diamètre du noyau est de 1× 10^-15 m et ne prenez pas en compte l’influence des électrons.

Tâche 1.2 Dérivation de la formule de diffusion Rutherford

Suivez le lien ci-dessous pour établir la formule de la diffusion Rutherford, nom- mez les principes de physique qui sont impliqués.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/rutcon.html#c1

Tâche 1.3 Les postulats de Niels Bohr

On dit que les quatre postulats de Niels Bohr étaient ad hoc, incohérents avec la théorie de l’époque. Discutez.

Évaluation formative 1

1. Rédigez un essai sur l’évolution du modèle atomique de Dalton à Bohr.

2. Il existe un déséquilibre des genres chez les partisans de la théorie atomique de la matière. Discutez.

3. Quelles étaient les critiques du modèle atomique du « plum pudding »?

4. Dans la documentation Internet qui vous a été fournie, il semble y avoir des désaccords entre Niels Bohr et Sir Ernest Rutherford. Quel était le désaccord et comment a-t-il été réglé? Y a-t-il des leçons à tirer de ce cas?

5. Dans la figure ci-dessous, quel est le rayon de l’orbite de Bohr de l’atome d’hydrogène ?

(37)

6. (a) Si le rayon du noyau était de 10 cm, quel serait le diamètre de l’atome?

(b) Reproduisez les calculs et le noyau hypothétique en supposant que le rayon de la Terre est r = 6,4 × 10⁶m et comparez la taille du noyau hypothétique avec la distance entre la Terre et la Lune 3,8 ×10⁸ m.

Réponses : (a) 100 000 × 0,20 m = 24 km (b) 6,4 × 10¹¹ m

7. Selon le modèle de Bohr, l’énergie de l’électron devrait-elle augmenter ou diminuer pour une orbite plus large ?

Réponse : Éloigner l’électron du noyau demande plus d’énergie, donc les plus grandes orbites ont plus d’énergie.

8. Est-ce que le modèle de Rutherford explique : (a) la stabilité des atomes?

(b) la raison de l’émission de longueurs d’onde discrètes ? Expliquez vos réponses.

Devoir 1

1. Donnez trois présupposés utilisés dans la dérivation de la section efficace différentielle de la diffusion Rutherford.

2. Une particule 6,0 MeV a - est diffusée à 40° par un noyau d’or.

a. Quel est le paramètre d’impact correspondant?

b. Si la feuille d’or a une épaisseur de 3,0 × 10^-7 m, quelle est la fraction de particules a contenues dans un rayon de 6,0 MeV qui peuvent être diffusées à plus de 45°

3. Calculez le rayon de Bohr d’un atome d’hydrogène dans son état fondamental.

Consultez une référence pour les constantes nécessaires.

4. Calculez l’énergie de l’état fondamental de l’hydrogène tel que modélisé par Niels Bohr. Les électrons ont une énergie négative.

5. Pourquoi une orbite d’un rayon de 1mm a-t-elle peu de chance d’être occupée par un électron dans le modèle de Bohr de l’atome d’hydrogène? Trouvez le nombre quantique qui caractérise une telle orbite.

6. Montrez sur un diagramme de niveau d’énergie pour l’hydrogène le nombre quantique correspondant à une transition dans laquelle la longueur d’onde de la lumière émise est 121,6 nm.

Enseigner le contenu dans les écoles secondaires 1

Tout dépend du curriculum national de physique, les connaissances de base sur les modèles atomiques dans cette activité peuvent être enseignées aux élèves des écoles secondaires.

(38)

Activité 2 : Les décharges électriques

Cette activité vous prendra 20 heures. Dans cette activité vous serez amené à faire une série de lectures, à regarder des vidéos multimédias, à consulter des exemples et à répondre à des questions et à des problèmes d’autoévaluation. Il est fortement recommandé de faire toutes les activités, de consulter toutes les références obligatoires et le plus de liens utiles possibles.

Objectifs spécifiques liés aux activités d’enseignement et d’apprentissage

• Expliquer le phénomène de décharge sous différentes pressions

• Mettre de l’avant des preuves que les rayons cathodiques sont composés d’électrons

• Décrire le contexte et le but de l’expérience de la goutte d’huile de Mil- likan

Résumé de l’activité d’apprentissage

Dans cette activité d’apprentissage, vous apprendrez des choses relatives à un phénoméne qui a déconcerté les scientifiques du 19e siècle. De soi-disant mysté- rieux rayons sont observés quand un courant direct à fort voltage est appliqué à travers un tube de verre sous vide, paré d’au moins deux électrodes, une cathode ou électrode négative et une anode ou électrode positive, dans une configuration connue sous le nom de diode. Nous en apprendrons plus sur une expérience in- génieuse qui a démontré la nature corpusculaire des charges électriques.

(39)

Lectures obligatoires

Lecture 1 : A Look Inside the Atom

Référence: http://www.aip.org/history/electron/jjhome.htm Consulté en juin 2007

Résumé : Cet article traite des travaux de J.J. Thompson sur les rayons ca- thodiques, qui ont abouti à la découverte de l’électron comme partie fondamentale de l’Atome. Suivez les liens en cliquant sur next.

Lecture 2 : Nobel Prize Lecture on Cathode Rays

Référence : http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1905/lenard- lecture.html

Résumé : Dans le contexte de vos connaissances actuelles, ceci est une lecture assez légère, mais informative sur les rayons cathodiques et les opinions fausses de l’époque.

Justification : C’est un exposé du prix Nobel de physique de 1905, Philipp Lenard. Cette lecture sera très motivante.

Lecture 3 : The Millikan Oil Drop Experiment

Référence: http://hep.wisc.edu/~prepost/407/millikan/millikan.pdf Consulté en juin 2007

Résumé : C’est un bon article sur les aspects pratiques de l’expérience de la goutte d’huile de Millikan.

Justification : Le matériel présenté est bon et pertinent au cours.

(40)

Ressources multimédias

Référence : http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/crookestube/

Description : Cet applet vous permet de voir comment le tube rayonne avec plus de voltage. Il est possible de modifier le voltage à laide d’une barre glissante afin de modifier le courant électrique dans le tube. Comme le courant est augmenté, les électrons commencent à ioniser les gaz empri- sonnés dans le tube, les faisant rayonner d’une couleur bleue fluorescente.

Au fur et à mesure que les électrons ionisants passent sur la croix, une ombre apparaît à un bout du tube électronique.

Référence : http://www.physchem.co.za/Static%20Electricity/Millikan.htm Consulté en avril 2007

Description : Cet article contient un condensé de la théorie de l’expérience de la goutte d’huile de Millikan et une expérience virtuelle est également fournie.

Référence : http://www68.pair.com/willisb/millikan/experiment.html Consulté en avril 2007

Description : Il s’agit d’un applet sur l’expérience de la goutte d’huile de Millikan. Lisez le texte contenu dans ce lien et puis cliquez «here » pour observer une jolie simulation de l’expérience de Millikan. Faites glisser la barre de champ électrique pour changer le champ électrique entre les plaques et notez l’effet sur les gouttes d’huile. Plus le champ augmente, de plus en plus de gouttes sont attirées vers le haut sur la plaque chargée positivement.

Référence : http://physics.nad.ru/Physics/English/top_ref.htm#mill Consulté en avril 2007

Description : Ce fichier contient des animations des dix plus belles expériences scientifiques. L’expérience de Millikan est la troisième. Allez également voir les vidéos.

(41)

Liens utiles

Ressource #1

Titre : Investigating Cathode Rays

URL : http://schools.cbe.ab.ca/b858/dept/sci/teacher/zubot/Phys30notes/inves- tnurays/investnurays.htm

INVESTIGATING NEW RAYS

• Dalton, in 1808 proposed that matter is made of atoms.

All substances were either made of single atoms or combi- nations of atoms (molecules).

• He thought that atoms were indivisible.

• In the 20^th century, experiments showed that atoms were divisible. As a result, new particles and forces were found.

Description:

A schematic diagram of a Crookes tube ap- paratus. A is a low voltage power supply to heat cathode C (a «cold cathode» was used by Crookes). B is a high voltage power supply to energize the phosphor-coated anode P. Shadow mask M is connected to the cathode potential and its image is seen on the phosphor as a non- glowing area.

Source: http://en.wikipedia.org/Image:Crookes Tube.svg.

Description : Les propriétés des rayons cathodiques sont expliquées et illus- trées.

Justification : C’est un bon article sur les propriétés des rayons cathodiques.

Vous le trouverez probablement très intéressant.

(42)

Ressource #2

Titre : Cathode Rays

URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Cathode_ray Capture d’écran :

INVESTIGATING NEW RAYS

• Dalton, in 1808 proposed that matter is made of atoms.

All substances were either made of single atoms or combi- nations of atoms (molecules).

• He thought that atoms were indivisible.

• In the 20^th century, experiments showed that atoms were divisible. As a result, new particles and forces were found.

Description:

A schematic diagram of a Crookes tube ap- paratus. A is a low voltage power supply to heat cathode C (a «cold cathode» was used by Crookes). B is a high voltage power supply to energize the phosphor-coated anode P. Shadow mask M is connected to the cathode potential and its image is seen on the phosphor as a non- glowing area.

Source: http://en.wikipedia.org/Image:Crookes Tube.svg.

Description : Une présentation encyclopédique des rayons cathodiques incluant la définition, les propriétés, l’histoire et les applications.

Justification : C’est un bon article avec nombre de liens contenant du matériel pertinent à l’activité.

Ressource #3

Titre : The Cathode Ray Tube

URL : http://www.physics.brown.edu/physics/demopages/Demo/modern/demo/

7b3510.htm

Captures d’écran :

Une vieille version du tube cathodique Description : On y décrit un tube cathodique.

Justification : Cet article fait partie d’une série de sommaires de concepts en phy- sique atomique. Suivez les liens pour naviguer à travers les différents sujets.

(43)

Ressource #4

Titre : The Oil Drop Experiment

URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Oil-drop_experiment Capture d’écran :

A Simplified scheme of Millikan’s oil-drop experiment.

Description : L’expérience de la goutte d’huile de Millikan est décrite en incluant le contexte, la procédure expérimentale, la théorie et le commentaire de Feynman sur le traitement des données de Millikan.

Justification : C’est une présentation encyclopédique sur l’expérience de la goutte d’huile de Millikan. Les liens dans l’article sont utiles et complémentaires.

(44)

Description détaillée de l’activité (principaux éléments théoriques)

Rayons cathodiques

Les rayons cathodiques sont les faisceaux d’électrons observables dans les tubes électroniques, c’est-à-dire des tubes sous vide qui comportent au moins deux électrodes, une cathode (électrode négative) et une anode (électrode positive) dans une configuration connue sous le nom de diode.

Les propriétés des rayons cathodiques

En présence d’air, une étincelle ne s’étend pas très loin de la source, la cathode.

Cependant, sous un vide partiel, l’étincelle se rend plus loin.

Faisceaux violets à une pression de p = 2,7 kPa

Quand on évacue l’air du tube, les électrodes : l’anode et la cathode sont connec- tées par un ou plusieurs faisceaux violets, tel qu’illustré dans le schéma ci-haut.

À une pression moindre, une lueur rose remplit le tube en entier.

En continuant à évacuer de l’air, la lueur rose se concentre autour de l’anode et une lueur bleue autour de la cathode, tel qu’illustré ci-haut. L’espace entre les lueurs est sombre et est appelé l’espace noir de Faraday.

(45)

En réduisant encore la pression, l’espace noir s’étend et la couleur aux électrodes diminue jusqu’à ce que le tube devienne obscur, excepté une petite lueur autour de l’anode, tel qu’illustré ci-dessous. La région sombre est appelée l’espace noir de Crooke.

Pression dans le tube p = 1,3 Pa ou moins

La lueur dans le tube est en partie due à la lumière émise par les atomes gazeux quand leurs électrons de désexcitent; la recombinaison des électrons et des ions positifs durant les collisions des particules est également en cause.

Les stries sont causées par l’alternance des ionisations et des recombinaisons dans le tube. Les bandes noires, les espaces noirs de Faraday et de Crooke, sont situés là où les ionisations dues aux collisions entre les ions et les atomes neutres ont lieu principalement. Les atomes gazeux absorbent de l’énergie ce qui excite leurs électrons et ionise les atomes ; donc, aucune lumière n’est émise. Les bandes lumineuses sont des endroits où une lumière est émise soit par la désexcitation des électrons durant la recombinaison avec les ions positifs, soit par la désexcitation des électrons au sein des atomes excités.

Les recherches sur les rayons cathodiques ont révélé les propriétés suivantes : 1. Les rayons cathodiques se déplacent en ligne droite et projettent une

ombre.

2. Une roulette placée sur le chemin d’un rayon cathodique se met à tour- ner, indiquant que le rayon est composé de particules, se déplaçant de la cathode vers l’anode et qu’elles ont de l’énergie et une quantité de mouvement.

3. Les rayons cathodiques peuvent être déviés par un champ magnétique et par un champ électrique, ce qui révèle que ce sont des particules chargées négativement.