⚛️ Rutherford et la feuille d'or : l'atome est vide
En 1909, on tire des particules α sur une feuille d'or plus fine qu'une bulle de savon. Presque toutes passent tout droit… mais une sur des dizaines de milliers revient en arrière ! « C'est comme si un obus rebondissait sur une feuille de papier », dira Rutherford. Refais l'expérience et découvre ce qu'elle dit de l'atome.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- L'écran s'allume presque toujours en face de la source : la grande majorité des α traverse la feuille sans être déviée. L'atome est donc presque vide (structure lacunaire).
- De temps en temps, un éclair apparaît sur le côté, et très rarement derrière la feuille : une α a été violemment repoussée par quelque chose de minuscule, de très chargé et de très lourd : le noyau.
- Le modèle de Thomson (charge + étalée dans tout l'atome) prévoit des déviations d'à peine 1° : ses pointillés retombent à zéro bien avant 90°. Les rebonds observés le réfutent.
- Dans le zoom sur un noyau, les α suivent des hyperboles : plus elles visent près du noyau (b petit), plus elles sont déviées. Tirée de face, une α s'arrête à la distance dmin puis repart en arrière.
- À l'échelle où le noyau est visible, l'atome entier serait des centaines de fois plus large que le cadre : le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome.
Expériences à faire
- Laisse tourner l'expérience : combien d'α faut-il envoyer, en moyenne, pour voir un rebond ?
- Passe au modèle de Thomson : que prévoit-il pour les déviations de plus de 90° ? Est-ce compatible avec ce que tu observes ?
- Remplace l'or par l'aluminium (Z = 13) : les rebonds sont-ils plus fréquents ou plus rares ? Pourquoi ?
- Divise l'énergie des α par 2 : que devient dmin ? Et le nombre de rebonds ?
- Dans le zoom, cherche le paramètre d'impact b qui donne une déviation de 90° : vérifie la formule tan(θ/2) = dmin / (2b).
La chimie derrière l'animation
- Un atome est formé d'un noyau (protons et neutrons) et d'électrons. Son diamètre est d'environ 10−10 m, celui du noyau d'environ 10−15 m : le noyau est environ 105 fois plus petit, l'atome est presque vide.
- Le noyau porte la charge Q = Z × e, avec e = 1,6 × 10−19 C. Pour l'or (Z = 79) : Q = 79 × 1,6 × 10−19 ≈ 1,26 × 10−17 C. La particule α (noyau d'hélium) porte 2e.
- Le noyau repousse la particule α (loi de Coulomb, vue en Première) : F = k × qα × Q / r2, d'autant plus fort qu'elle passe près.
- Tir de face : l'α s'approche jusqu'à dmin = k × 2e × Ze / Ec (k e2 = 1,44 MeV·fm), soit 43 fm pour une α de 5,3 MeV sur l'or : bien plus grand que le noyau (7 fm), mais minuscule devant l'atome.
- Pour aller plus loin (BAC+1) : déviation tan(θ/2) = dmin / (2b), où b est le paramètre d'impact. La proportion d'α déviées de plus de 90° vaut n × t × π × dmin2 / 4 (n : atomes par m3, t : épaisseur). Perte d'énergie dans la feuille négligée.
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