Visualiser expérimentalement des atomes et des molécules

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Visualiser expérimentalement des atomes et des molécules (fiche -Terminale S)
Objectifs Présenter le principe de la microscopie à effet tun nel, en tant qu’outil pour observer expérimentalement des atomes. Présenter quelques variantes de cet appareil. Les atomes et les molécules ont été prédits par les scientifiques depuis longtemps, sans toutefois avoir l’occasion de les observer, de part leur faible taille. Un atome a en effet une taille de l’ordre de l’Angström( ).
Or, depuis une trentaine d’années, les progrès tech niques et une mise en application de certains phénomènes physiques ont permis de mett re au point des outils pour produire expérimentalement des images représentant des atomes ou des molécules !
1. Présentation de la microscopie à effet tunnel Imaginons deux matériaux conducteurs, l’un est une plaque, l’autre est une pointe. Chacun est relié à une borne d’ungénérateur électrique( l’un, au + et l’autre, au – ). Ensuite, la pointe est approchée très près de la pl aque, à une distance de quelques Angströms, donc équivalente à plusieurs fois le dia mètre moyen d’un atome.
En mécanique classique, un courant électrique ne pourrait pas passer entre les deux, car ils ne sont pas en contact. Or,en mécanique quantique, on montre que des électrons ont unefaible probabilité(mais non-nulle)de passer d’un matériau à l’autre, formant alors uncourant électrique: c’est l’effet tunnel.
Cet effet est utilisé dans lemicroscope à effet tunnel, nomméScanning Tunneling Microscope(STM). Cet appareil fut créé en1981par Gerd Binning et Heinrich Rohrer. Leur invention leur permis d’ailleurs d’obtenir en 1986 lePrix Nobel de Physique. La finalité de cet outil estd’étudier la surface d’un matériau conducteur à faible échelletröm. On est ainsi à, avec une résolution possible de l’ordre d’un Angs l’échelle de l’atome.
L’idée est de déplacer unepointe de platineà proximité du matériau à cartographier. Dans la pratique, la tension électrique appliquée e ntre la pointe et l’échantillon est de l’ordre d’une dizaine de Volts. En théorie, l’extré mité de la pointe peut être constituée d’un seul atome. Quand la pointe est assez proche du matériau, le courant lié à l’effet tunnel va apparaître, et augmenter si la pointe se rapproche encore.
Cependant, dans la pratique, l’objectif est que les deux conducteurs ne se touchent jamais, afin d’éviter d’endommager la pointe. Quand elle est déplacée parallèlement à la surface de l’échantillon, selon un axex, on fait alors en sorte de lamaintenir à distance constante du matériau, en la montant ou descendant (selon un axez) en