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Il s'agit d'un quizz de physique de niveau 3ème, 2nde ou 1ère sur la fameuse expérience de Rutherford. Cette activité permet de comprendre la structure lacunaire d'un atome. Les deux protagonistes sont le célèbre détective Holmes et son ami, le docteur Watson.

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Transcript

L’étrange affaire des particules alpha

Sherlock Holmes s’apprêtait à allumer sa pipe quand je lui tendis le journal du jour.– Qu' y a-t-il Watson ?– C’est encore cette étrange affaire des particules alpha qui fait la une.

– Et bien ces journalistes n’ont vraiment plus rien à se mettre sous les dents pour continuer de titrer sur cette affaire de particules, n’est-ce pas Watson ? Pas de chien écrasé ? Ou de fiacre renversé ? – Je ne suis pas de votre avis et puis un esprit comme le vôtre, féru de science, cela ne peut pas vous laisser indifférent. Ce physicien, Rutherford, on ne peut qu’admirer sa rigueur intellectuelle et sa persévérance, je me trompe ? – Certes, Watson, certes. Vous avez titillé ma curiosité. Je vais donc lire cet article. Quand Holmes eut terminé sa lecture et qu'il eut posé sa vieille pipe sur le guéridon en acajou, il me dit :

– Écoutez Watson, je veux bien y réfléchir un peu… à condition que vous m’apportiez mon tabac… et puis arrêtez de tourner autour de la table de salon ! Je haussai les sourcils, sans daigner lui répondre, ce qui avait souvent le don de l’agacer. – Cette affaire est particulièrement embrouillée. Je vais donc déjeuner comme j’avais prévu de le faire avant que vous ameniez ce satané journal. Je crois que Mme Hudson serait navrée que ses œufs à la coque refroidissent irrémédiablement.Après le petit-déjeuner, nous reprîmes notre conversation au sujet de ces étranges particules alpha.– Alors maintenant que vous êtes rassasié, que pensez-vous de cet article de journal, Holmes ?

– Et bien, il va falloir démêler tout cela Watson, c’est un vrai galimatias ! Je m’installai alors commodément dans un des deux fauteuils du salon. – Auriez-vous l’obligeance de m’apporter ma tabatière, Watson ? Je ne pus réprimer une moue d’agacement puis j'ajoutai : – Est-ce bien raisonnable, Holmes ? Ne croyez-vous pas que votre manie de fumer toute la journée vous conduira six pieds sous terre ? – Assurément, mon cher Watson. Je dodelinai de la tête en signe de désapprobation puis répondit : – Pouvons-nous reprendre, Holmes ? – Avec plaisir.

– J’ai bien réfléchi. Ne faudrait-il pas analyser ce schéma sous le texte et lire avec attention le journal ? – Certainement, Watson.

Une bien étrange découverte Le professeur Ernest Rutherford qui dirige le laboratoire de Cavendish à l’Université de Manchester vient de faire une étrange découverte. Il étudie avec ses étudiants Ernest Marsden et Hans Geiger la diffusion des particules alpha lors de leur passage à travers la matière. Les particules alpha sont des particules environ quatre fois plus lourdes que l'atome d'hydrogène, avec une charge positive et sont émises par certaines substances radioactives. Quand un faisceau de particules alpha frappe une mince feuille de métal, il y pénètre et la traverse. Lors de ce processus, certaines particules alpha sont déviées de leur trajectoire rectiligne. Les étudiants de Rutherford mesurèrent le pourcentage de particules déviées selon différents angles lorsque le faisceau traverse une mince feuille d'or.

Ils placèrent une plaque recouverte de sulfure de zinc derrière la feuille d'or, et à l'aide d'un microscope ils comptèrent le nombre de scintillations pendant un laps de temps donné. Chaque scintillation était la preuve qu'une particule alpha avait frappé la plaque. Puis ils changèrent l'angle de la plaque par rapport au faisceau et comptèrent les scintillations durant le même laps de temps. Au moyen de ces mesures, ils espéraient apprendre quelque chose sur la structure interne de l'atome. Lors de ces expériences, on ne s'intéressa qu'aux faibles angles de diffusion, car il était admis que les particules alpha “lourdes” et rapides ne pouvaient pas vraiment changer de direction lors de leur passage à travers la mince feuille de métal.

Mais ces derniers jours, Rutherford suggéra à ces étudiants de vérifier si certaines particules alpha étaient déviées selon un grand angle. Rutherford n'espérait rien de cette expérience, mais deux jours plus tard Geiger, très excité, rapporta que quelques particules alpha rebondissaient vers l'arrière. Selon Rutherford, c’est l'événement le plus surprenant de toute sa vie : “C'est presque aussi incroyable que si vous tiriez un obus d'artillerie sur un morceau de papier de soie et qu'il revienne et vous frappe” » .

L’expérience du professeur Rutherford : Le professeur Rutherford utilise des particules alpha (noyaux d'hélium), produites lors de la désintégration de noyaux radioactifs de radium, pour explorer la structure de l'atome. Il bombarde pour cela une feuille d'or d'environ 0,6 micromètres d’épaisseur, placée dans une enceinte à vide, par un faisceau de particules alpha focalisées par deux diaphragmes D1 et D2. Il constate ainsi que la grande majorité des particules alpha traversent la feuille d'or sans être déviées.

En effet, la tache 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. La surprise du professeur Rutherford fut de constater que certaines particules alpha (1 sur 20 à 30 000) subissent de grandes déviations (supérieures à 90 degrés) et sont donc renvoyées vers l'arrière. À ce jour, le professeur Rutherford n’explique pas les curieux résultats de son expérience.

– Le petit rectangle doré, ne serait-ce pas la feuille d’or ? Si vous pensez comme Holmes, cliquez ici

– Le petit rectangle doré, ne serait-ce pas le sulfure de zinc ? Si vous pensez comme Watson, cliquez ici

Bravo ! Cliquez à présent ici :

Non, Watson s’est trompé. Il s’agit de la mince feuille d’or.

– Holmes, ne pourrions-nous pas regarder plus en détail le schéma ci-contre ? dis-je. – Bonne idée, mon ami.

– Bien. Qu’est-ce que ces ronds avec un point au milieu ? Cela me fait penser… Attendez Watson, pourriez-vous m’apporter le gros ouvrage en cuir rouge, sur l’étagère du haut. Son titre est Symboles et mythes.

Si comme Holmes, vous pensez que cela ressemble à un symbole astrologique, cliquez ici.

Au contraire, si comme le docteur Watson, vous ne voyez aucun rapport avec les symboles astrologiques, cliquez ici.

Oui, cela ressemble ainsi au symbole du Soleil. Cliquez à présent ici

Et bien vous avez tort, cela ressemble au symbole du Soleil.

– À quoi cela nous avance-t-il ? demanda Watson– Je n’en ai pas la moindre idée, Watson mais poursuivons notre analyse !

Une heure s’écoula pendant laquelle Holmes ne cessait de lancer des volutes de fumée vers le plafond. Puis se renversant soudainement sur son siège, il s’exclama : – Du pudding, Watson, du pudding !– Je crains de ne pas vous suivre.– – Du pudding, Watson. Je me rappelle avoir lu un article dans The Times où la matière était comparée à du pudding aux pépites de chocolat. Les électrons, la matière négative, seraient les pépites de chocolat et le reste du pudding, la matière positive, que ce jeune savant appelle noyau de l’atome à la manière du noyau d’un fruit.

– Continuez, je vous prie.– Oui, et il y a plus intéressant, Watson. Un autre savant soutenait que ce modèle du pudding était faux et qu’en réalité les pépites de chocolat, c’est-à-dire les électrons étaient en dehors du pudding… ou plutôt en dehors du noyau de l’atome. – Donc si j’ai bien compris, les électrons sont à une certaine distance du noyau des atomes. – C’est probable, Watson.– Et sur votre schéma que représententalors les traits rouge et vert ?– De toute évidence, les particules alpha,mon cher Watson !

Holmes se tut alors pendant un long moment, me laissant réfléchir sur les implications de son hypothèse. Puis je repris :– Donc si votre hypothèse est correcte…– Mais elle l’est ! m’interrompit Watson.– Cela signifie, repris-je, que la majorité des particules alpha traversent la feuille d’or… comme si ce métal était du … gruyère. Mais cela ne se peut pas !– Qu’une chose semble improbable, Watson, ne signifie pas qu'elle ne peut se produire.

– Si vous êtes aussi confiant dans votre hypothèse, examinons les implications qui en découlent, et tâchons de mener l’analyse jusqu’au bout…– Bien sûr, mon cher Watson.– Ne croyez-vous pas qu’il faudrait se pencher sur la substance positive ou négative de toutes ces particules ?– Cela s’appelle la charge électrique.– Va pour la charge électrique.– Excellente idée, Watson. Laissez-moi le temps d’aller chercher mon petit calepin.

– Je me rappelle vaguement mes cours de physique du secondaire et si je ne me trompe, deux charges électriques de même signe se repoussent tandis que deux charges électriques de signe opposé s’attirent. Est-cela Holmes ?

Si vous pensez comme le docteur Watson, cliquez iciSinon cliquez ici

Bravo : les souvenirs du docteur Watson sont tout à fait exacts !Deux charges négatives se repoussent.Deux charges positives se repoussentTandis qu'une charge positive et une charge négative s'attirent.Cliquez à présent ici :

Et bien, non ! Le docteur Watson ne peut pas toujours se tromper !

– Exactement, mon cher Watson. – Alors regardons de plus près si vous le voulez bien la trajectoire de ces fameuses particules alpha. – Avec plaisir, Watson.

– Il me semble que les particules alpha et les noyaux se repoussent. – Qu’est-ce qui vous faire dire cela, Watson ? – Comment pourraient-elles être renvoyées vers l’arrière dans le cas contraire ? – Oui. Je suis de votre avis et cela implique donc que ces particules alpha ont une charge positive. – Nous progressons, Holmes, nous progressons. Il reste à comprendre pourquoi la majorité des particules alpha traverse la feuille d’or en étant peu ou pas déviées alors qu’une minorité est renvoyée en arrière.

– Oui, je crois que la clef de l’énigme repose sur cette déviation, mais Watson, je vous avoue que cela reste très confus. Je vous propose donc, si cela vous convient, d’y réfléchir demain. Après une bonne nuit de sommeil, je crois que nous y verrons plus clair. Le lendemain matin, je retrouvais mon ami Holmes au saut du lit, la tête échevelée et criant des propos presque confus : – J’ai fait un étrange rêve, Watson, un bien étrange rêve. Dans la première partie de mon rêve, je chassais dans la pénombre d’une forêt sinistre et à chaque coup de feu de mon fusil, je manquais ma cible et les plombs de chevrotine rasaient les arbres. Dans la seconde partie de mon rêve, j’étais un chasseur d’or dans le Grand Nord de l’Amérique et je jetais le sable d’une rivière à travers le tamis posé sur une batée.

Je regardai alors Holmes d'un air perplexe.- Ne comprenez-vous pas ? reprit-il.– Non, éclairez-moi, mon ami. – Pourquoi mes balles ne touchaient-elles pas les arbres ? – Je ne sais pas Holmes. Hum… J’imagine parce que les arbres étaient très espacés ? – Exactement ! – Et les arbres, ce sont les noyaux des atomes ! dis-je. – Parfaitement ! – Et la deuxième partie de votre rêve ? demandai-je.– J’y viens, mon cher Watson, j’y viens.Dans mon rêve, quand je tamisais le sable de la rivière, de temps à autre quelques grains sautaient du tamis ! Ne comprenez-vous pas ?

– Je ne vois toujours pas, dis-je perplexe. – Ces grains qui rebondissent en arrière ? – Non ! – Si, Watson ! – Les particules alpha ! – Voilà, vous avez saisi ! – Stupéfiant ! – Je ne vous le fais pas dire. – Vous avez trouvé la solution de notre énigme en rêve. Incroyable ! – Oui, je dois dire que les bras de Morphée m’ont été d’un grand secours.– Allons-nous écrire à ce monsieur Rutherford pour lui donner la solution à cette étrange affaire des particules alpha ?

– Et bien Watson, je serais d’avis d’attendre quelques jours. Laissons-le chercher un peu et nous verrons bien s’il finit par comprendre que si les particules alpha traversent la feuille d’or sans être particulièrement déviées, c’est tout simplement que les noyaux sont extrêmement espacés. Oui, mon cher Watson, un grand vide règne au sein de la matière. – Et ces rares particules alpha qui sont renvoyées en arrière, ce sont celles qui croisent très rarement sur le chemin les minuscules noyaux tels vos grains de sable qui rebondissent en arrière sur la grille du tamis.

– Je vous félicite mon cher Watson, vous avez saisi l’intégralité de mon raisonnement et je crois qu'après ce dur labeur, nous méritons tous les deux, une de ces délicieuses pâtisseries dont Mme Hudson a le secret.

Conclusion

Photographie du dispositif utilisé par Rutherford, Geiger et Marsden [Source: Grehn, Metzler Physik; Demtröder, Experimentalphysik 3]

En 1911, Ernest Rutherford publia ses résultats : la matière est constituée de petits noyaux lourds entourés d’électrons extrêmement légers. Le diamètre du noyau des atomes est seulement 1/100 000 de celui de l’atome tout entier ce qui signifie que les électrons tournent très loin du noyau. Autrement dit, il existe un grand vide entre le noyau et les électrons, on parle de structure lacunaire de l’atome. Pour se représenter les choses, imaginez que le noyau d’un atome d’hydrogène constitué d’un unique proton ait la taille d’une tête d’épingle plantée au milieu de la pelouse du stade de France. À quelle distance serait l’unique électron de cet atome d’hydrogène ?

Et bien, à cette échelle, cet unique électron serait tout en haut des gradins du stade de France. Entre cette tête d’épingle et le haut des gradins, qu’il y a-t-il ? Rien, c’est-à-dire du vide. Ce modèle nous donne une idée du vide gigantesque qui règne au sein des atomes, entre le noyau et les électrons. Le modèle du « pudding » de Joseph John Thomson fut ainsi définitivement abandonné au profit du modèle dit de Rutherford.

Ecran fluorescent qui scintille quand une particule alpha l’atteint

Feuille d'or qui contient 2083 couches d'atomes d'or

Trait rouge : trace d’une particule alpha

Situation la plus probable : la particule alpha traverse la feuille d’or sans être déviée.

Situation la moins probable : la particule alpha est renvoyée vers l'arrière. 1 particule alpha sur 20 à 30 000 subit une telle déviation.

Ecran fluorescent qui scintille : une particule alpha vient de l'atteindre

La grosse boule orange représente un atome d’or avec en son centre, son noyau (petite boule bleue). La petite boule rouge qui traverse l’atome est une particule alpha. Même si cette représentation n’est pas du tout à l’échelle, elle nous montre tout de même le vide important qui règne entre le noyau et les électrons, non visibles ici mais qui seraient au pourtour de la grosse boule orange.

Dernière remarque : Dans cette activité, nous ne nous sommes pas intéressés aux électrons des atomes d’or tout simplement parce que les électrons sont 7692 fois plus légers qu’une particule alpha. Autrement dit, un électron n’a aucune chance de faire dévier une particule alpha. Imaginer le contraire, cela serait comme imaginer qu’une boule de pétanque (la particule alpha) puisse être déviée par une balle de ping-pong (l’électron).

Olivier Leduc, lycée Paul Duez à Cambrai