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Le noyau de l'atome

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Ce cours est en cours de création par nos équipes et il sera prêt pour la rentrée 2019 💪

Introduction :

Les atomes sont les entités élémentaires de toutes les espèces chimiques pures. Le mot « atome » vient du grec ancien et signifie « indivisible ». Toute la matière de notre univers est composée d’atomes. On dénombre plus d’une centaine d’atomes distincts, mais on en a encore découvert quatre récemment. Élémentaire et indivisible, l’atome d’une espèce chimique est pourtant constitué de différentes particules encore plus petites que nous allons découvrir.

Structure et caractéristique de l’atome

La matière peut être décrite selon diverses caractéristiques comme la masse, le volume et d’autres propriétés (chimiques, de forme, de couleur, etc.). L’ensemble de ces caractéristiques permet de définir une espèce chimique. Étudions dans un premier temps les notions de masse et de volume.

Atomes et molécules : une affaire de division

Réalisons deux expériences à partir de deux corps purs : un morceau d’aluminium et un volume d’eau.

Divisons un morceau d’aluminium en deux parties égales. Continuons à diviser une des deux parties en deux à chaque fois. Après des millions de divisions, nous obtiendrons une particule ultime unique indivisible : l’atome d’aluminium. Le morceau d’aluminium est ainsi composé d’un nombre immense d’atomes tous identiques.

Si nous faisons la même opération avec un volume d’eau, nous arriverons aussi à une particule indivisible : la molécule d’eau. Une demi-molécule d’eau n’existe pas, mais chaque molécule d’eau est formée de trois entités élémentaires : deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène.

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Rappel

Tout corps pur élémentaire ou simple, sous forme solide, liquide ou gazeuse, est constitué d’atomes tous identiques. Tout corps pur composé, sous forme solide, liquide ou gazeuse, est constitué de molécules toutes identiques.

Taille et masse de l’atome

Pour apprécier la taille et la masse des atomes, il est nécessaire d’utiliser les puissances de 10. Diviser par un million revient à multiplier par 10610^{-6} : par exemple, 106m10^{-6}\,\text{m} est un millionième de mètres.

La taille des différents atomes est comprise entre 3,10113,10^{-11} et 6,10106,10^{-10} mètres. Le picomètre (pm)(\text{pm}), 101210^{-12} mètres, est l’unité adéquate pour les atomes. Leurs tailles s’échelonnent entre 30pm30\,\text{pm} et 600pm600\,\text{pm}, soit quelques dizaines ou centaines de millionièmes de millionièmes de mètres.

La masse des atomes est encore plus difficile à appréhender. Elle est de l’ordre de 102710^{-27} à 1024kg10^{-24}\,\text{kg}. Il n’y a pas d’unité usuelle pour cet ordre de grandeur : le milliardième de milliardième de milliardième de kilogrammes !

Cette différence de rapport entre masse et taille révèle qu’il y a du vide dans les atomes. Les lois physiques font que la masse se concentre au centre de l’atome, dans le noyau de l’atome.

Écriture conventionnelle du noyau

Les atomes et leur classement par masse

Il y a 118118 atomes connus : une cinquantaine d’entre eux sont relativement communs dans la nature (comme le carbone, le fer ou le calcium), d’autres ont été révélés par les travaux sur la radioactivité (comme le radium ou le polonium). Chaque atome a un nom et un symbole, noté par défaut « XX », constitué d’une ou de deux lettres.

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À retenir

Les symboles à connaître sont :

  • H\text{H} : l’hydrogène
  • O\text{O} : l’oxygène
  • C\text{C} : le carbone
  • Fe\text{Fe} : le fer
  • Cu\text{Cu} : le cuivre

On peut faire un premier classement des atomes en fonction de leur masse, qui peut s’exprimer à partir du plus petit : l’atome d’hydrogène H\text{H}. La masse d’un atome d’hélium vaut pratiquement 44 fois la masse de l’atome d’hydrogène, celui de carbone 1212 fois, celui d’oxygène 1616 fois. Les atomes sont donc tous constitués d’éléments de masse identique appelés nucléons, par référence à nucleus, « noyau » en latin.

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Définition

Nombre de masse :

Le nombre de masse AA d’un atome est son nombre de nucléons. À l’état fondamental, un atome XX possède un nombre connu de nucléons AA : on peut le noter AX^{A}X.

Le nombre de masse permet de calculer la masse d’un atome en connaissant la masse d’un nucléon : en effet, il est rare de manipuler quelques atomes seulement. Il y a 6,02.1023 atomes de carbone dans 12g12\,\text{g} de carbone.

Les atomes et leur classement par nombre atomique : l’écriture conventionnelle

La suite des nombres de masse (A)(A) progresse souvent de deux en deux. Les nucléons se répartissent en deux particules qui vont par paires : le proton et le neutron. Ils ont quasiment la même masse : 1,67491027kg1,6749\cdot10^{-27}\,\text{kg} pour le neutron, 1,67261027kg1,6726\cdot10^{-27}\,\text{kg} pour le proton. Il y a au moins autant de neutrons que de protons, parfois un peu plus.

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Définition

Numéro atomique :

Le numéro atomique d’un atome est son nombre de protons. Il est noté ZZ en bas à gauche du symbole de l’atome : ZX^{Z}X. Il progresse de 11 en 11 et définit l’élément chimique.

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Exemple

L’atome de carbone, le plus répandu dans la nature, est noté 612C^{12}_{6}C. Il a ainsi 66 protons et 1212 nucléons (protons et neutrons).

Le numéro atomique sert de rang absolu dans le classement des éléments, qui se succèdent de façon régulière. Il ne peut pas y avoir deux atomes, d’éléments différents, qui auraient le même nombre ZZ mais des nombres AA différents.

Généralement, à un nombre ZZ est associé un nombre AA : c’est la forme fondamentale de l’atome. Rarement, deux atomes ayant deux nombres ZZ distincts peuvent avoir le même nombre AA : les variétés d’atomes qui ont le même nombre atomique et des nombres de masse différents sont des isotopes.

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Exemple

L’atome de carbone de l’exemple précédent est en fait l’isotope le plus stable et le plus repandu dans la nature de l’atome. Mais un autre isotope stable est le carbone 1414, noté 614C^{14}{6}C. Cet isotope diffère donc du 612C^{12}{6}C par son nombre de masse AA, soit par deux neutrons supplémentaires. Le carbone 1414 revient très lentement à la forme standard carbone 1212, ce qui permet les datations historiques de vestiges carbonés.

Finalement, on peut classer les atomes par nombre atomique ZZ croissant dans ce qu’on appelle le tableau périodique des éléments.

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À retenir

On note un atome ZAX^{A}_{Z}X avec :

  • XX son symbole chimique ;
  • AA son nombre de masse (nombre de nucléons) ;
  • ZZ son numéro atomique (nombre de protons).

Les charges électriques de l’atome et le noyau

La répartition des charges électriques dans l’atome

Un atome est une entité électriquement neutre. Cependant, de petites particules chargées peuvent quitter les atomes et se déplacer : c’est ce qui cause le courant électrique et les phénomènes électrostatiques, comme lorsqu’on frotte une règle sur sa manche pour attirer des bouts de papier. Ce sont les électrons de l’atome qui portent des charges conventionnellement négatives.

Les électrons peuvent être arrachés à l’atome car :

  • ils ont une masse très faible : près de 20002000 fois plus faible que celle d’un nucléon ;
  • ils sont placés en périphérie, loin de la masse concentrée dans le noyau central.

L’électrostatique montre qu’une charge négative arrachée revient à l’apparition d’une charge positive équivalente : la création d’un pôle – à une extrémité d’une règle en métal se traduit par un pôle + à l’autre extrémité. Des électrons sont en surnombre d’un côté, et en sous-nombre de l’autre, alors que les nucléons demeurent sur place aux deux extrémités. Certains nucléons sont donc chargés positivement, ce sont les protons. Le proton porte une charge de même valeur que celle de l’électron, mais positive. Le neutron ne porte pas de charge électrique.

Puisque dans son état fondamental, l’atome est neutre électriquement, il y a donc autant d’électrons que de protons.

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À retenir

Un atome ZAX^{A}_{Z}X, de numéro atomique ZZ et de nombre de masse AA, comprend ZZ électrons (charges négatives), ZZ protons (charges positives), et AZA-Z neutrons.

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Exemple

  • L’oxygène 816O^{16}_{8}\text{O} possède 88 électrons, 88 protons, 88 neutrons
  • L’atome qui possède 2626 électrons, 2626 protons et 3030 neutrons est le fer : 2656Fe^{56}_{26}\text{Fe}.

La taille du noyau par rapport à celle de l’atome

Par rapport à leur taille, les électrons évoluent très loin du noyau. Ceux qui évoluent le plus loin définissent le diamètre de l’atome. Si la masse des électrons est négligeable par rapport à celle du noyau, le noyau ne représente en taille qu’une toute petite partie au centre de l’atome. On utilise une unité adaptée à la taille du noyau, le femtomètre (fmfm) qui vaut 10-15 mètres.

Pour exemple, le diamètre d’un noyau d’hydrogène est environ 4000040 000 fois plus petit que le diamètre de l’atome d’hydrogène : si une bille de 1cm1\,\text{cm} de diamètre représentait son noyau, l’atome aurait un diamètre de 400m400\,\text{m} ! Les atomes sont dits lacunaires, c’est-à-dire majoritairement constitués de vide.

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Image issue de : https://www.superprof.fr/ressources/scolaire/physique-chimie/seconde/structure-matiere/noyau-atome.html

Ce schéma, qui ne peut pas être à l’échelle tellement les électrons seraient loin du noyau, représente un atome d’oxygène composé de 88 électrons, 88 protons (22 d’entre eux sont cachés à l’arrière du noyau) et 88 neutrons (22 également cachés).

Indivisibilité de l’atome

Si nous pouvions diviser en deux l’atome d’oxygène précédent, c’est à dire en deux ensembles de 44 protons, 44 électrons et 44 neutrons, nous aurions en réalité deux atomes de Béryllium. Rappelons que s’il y a un proton de plus ou de moins, ce n’est plus le même élément chimique (puisque celui-ci est défini par le nombre atomique ZZ). De ce point de vue, l’atome est indivisible.

Ni un électron, ni un proton, ni un neutron arraché à cet atome d’oxygène ne seraient un « morceau d’oxygène » : tous les atomes sont formés d’électrons, de protons et de neutrons semblables et interchangeables. De ce point de vue aussi, l’atome est indivisible.

Par contre, nous savons que les électrons peuvent être arrachés à l’atome ou lui être ajoutés. Nous savons aussi qu’il existe des isotopes (qui possèdent des neutrons supplémentaires). Ce sont des formes différentes de même numéro atomique. Nous connaissons aussi l’existence de réactions nucléaires qui vont transformer dans des conditions bien particulières certains éléments en d’autres.

Conclusion :

L’atome, noté ZAX^{A}_{Z}X, est la brique élémentaire des molécules et de la matière en général. Il est électriquement neutre. Cependant, un atome est constitué d’un noyau chargé positivement, d’électrons qui gravitent autour chargés négativement et de vide. Le noyau de tout atome est composé de protons, chargés positivement, dont le nombre est le numéro atomique ZZ, et de neutrons, non chargés.