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Physique-Chimie 1re

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SUJET BAC


2
Découverte de l’électron




Données

  • meˊlectron=m_{\text{électron}} = 9,109 ×\times 10-31 kg ;
  • e=e = 1,602 ×\times 10-19 C ;
  • g=g = 9,81 N·kg-1.

Doc. 2
Le condensateur plan

Un condensateur plan est constitué de deux plaques métalliques entre lesquelles on induit une différence de potentiel, aussi appelée tension électrique U.U. Cette tension engendre un champ électrostatique uniforme Eeˊlec\vec E_{\text{élec}} entre les deux plaques, dont on peut déterminer l’intensité à l’aide de la relation : Eeˊlec=UdE_{\text{élec}} = \dfrac{U}{d} (dd est la distance entre les deux plaques en mètre avec UU en volt (V) et EE en newton par coulomb (N·C-1)).

Condensateur de plan

Doc. 1
Du tube de Crookes à la découverte de l’électron par Thomson

À la fin du XIXe siècle, William Crookes (1832-1919) découvre que si on place deux électrodes sous tension dans un milieu à faible pression, la cathode (électrode chargée négativement) émet des radiations détectées sur le fond du tube par un matériau fluorescent. Ces rayons ont été appelés « rayons cathodiques ».

Du tube de Crookes à la découverte de l’électron par Thomson

Quelques années plus tard, en 1897, Joseph Thomson (1856- 1940) reprend ce tube en introduisant deux systèmes d’électrodes A/B et C/D. Les rayons cathodiques produits passent au travers des fentes des électrodes A et B, puis sont déviés lors de leur passage entre les électrodes D et E séparées de 1,5 cm.

Thomson observa :

“The rays were depressed when the upper plate was connected with the negative pole of the battery, the lower with the positive, and raised when the upper plate was connected with the positive, the lower with the negative pole. The deflexion was proportional to the difference of potential between the plates, and I could detect the deflection when the potential-difference was as small as two volts.”

Tube de Crookes

Par la suite, Thomson réalise une nouvelle expérience en déviant les rayons cathodiques non plus par un champ électrostatique mais par un champ magnétique B.\vec B. Il détermina alors le rapport em\dfrac{e}{m} des électrons constituant les rayons cathodiques.

Questions

1
Déviation des électrons
1. Reproduire le schéma du doc. 2 en représentant un vecteur champ électrostatique Eeˊlec\vec E_{\text{élec}} entre les deux plaques.
Lancer le module Geogebra

2. Calculer l’intensité du champ Eeˊlec\vec E_{\text{élec}} créé entre les deux plaques D et E de l’expérience de Thomson, pour la tension minimale pour laquelle il observe une déviation des rayons cathodiques.


3. Déduire des observations de Thomson que les rayons cathodiques sont chargés négativement.


4. Par la suite, Thomson déduit que les rayons cathodiques sont constitués d’un faisceau d’électrons. Calculer l’intensité de la force électrique subie par un électron de ce faisceau, lorsqu’il est situé entre les deux plaques.


5. Les électrons sont aussi soumis à leur poids, bien que celui-ci soit de trop faible intensité pour qu’on puisse en observer les effets. Déterminer la masse qu’un électron devrait avoir pour que son poids engendre la même déviation que la force électrostatique calculée précédemment.


2
Accélération des électrons
1. Le système d’électrodes A et B peut permettre d’accélérer les électrons envoyés par la cathode. Identifier le signe des charges électriques portées par ces plaques A et B.
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