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Les constituants de l'atome

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Introduction :

La matière qui nous entoure est constituée d’une infinité d’atomes. Nous allons nous intéresser à leur structure complexe. En effet, les atomes sont composés d’éléments infiniment petits, ce qui est remarquable si on considère leur taille. Nous appellerons ces éléments des particules.
Dans ce cours, nous allons étudier les particules composant l’atome en commençant par son noyau. Nous nous intéresserons ensuite aux électrons et, enfin, nous verrons l’atome dans sa globalité avec un schéma récapitulatif.

Le noyau

Selon les représentations actuelles, le noyau d’un atome a une forme sphérique et occupe une place centrale dans l’atome.
La dimension du noyau est de l’ordre de 1015 m10^{-15}\ \text{m}, ce qui est dérisoire comparée à celle de l’atome qui est de l’ordre de 1010 m10^{-10}\ \text{m}, soit 0,10,1 nanomètre. On peut donc en déduire que le noyau est 100 000 fois plus petit que l’atome, car :

dimensionatomedimensionnoyau=10101015=105\dfrac{\text{dimension}{\text{atome}}}{\text{dimension}{\text{noyau}}}=\dfrac{10^{-10}}{10^{-15}}=10^5

On compare souvent l’atome à un terrain de football, et le noyau à une abeille posée dessus.

  • Cependant, la quasi-totalité de la masse de l’atome se trouve dans le noyau.
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Définition

Noyau atomique :

Le noyau est la partie centrale de l’atome. Il est constitué de particules appelées nucléons.

Il existe deux types de nucléons : les protons et les neutrons.

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Définition

Proton :

Un proton est une particule du noyau atomique qui porte une charge électrique positive.

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Définition

Neutron :

Un neutron est une particule du noyau atomique, qui est électriquement neutre.

  • Le noyau possède donc une charge électrique apportée par les protons, il est chargé positivement.

Noyau de l’atome

Les neutrons sont représentés ici par des ronds bleus et les protons par des ronds rouges. On note Z\text{Z} le nombre de protons d’un atome, il est aussi appelé numéro atomique, et on note A\text{A} le nombre de nucléons. Le numéro atomique Z\text{Z} est souvent indiqué en haut à gauche du symbole de chaque atome dans la classification périodique des éléments. Le nombre de masse A\text{A} est indiqué en haut à droite de son symbole.

Représentation d’un élément dans le tableau périodique

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À retenir

Il est donc possible de déterminer le nombre de neutrons, pour cela il faut soustraire le nombre de protons au nombre total de nucléons soit :

nombre de neutrons=nombre de nucleˊons (A)nombre de protons (Z)\text{nombre de neutrons}= \text{nombre de nucléons (A)} - \text{nombre de protons (Z)}

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Attention

Il est parfois possible de trouver la représentation symbolique d’un atome de symbole X\text{X} écrite de la façon suivante : ZAX^\text{A}_\text{Z}\text{X}.

L’exemple de l’atome de chlore, de symbole Cl\text{Cl}

Le chlore dans le tableau périodique

Dans le tableau, nous notons que : Z=17\text{Z} = 17 et A=35\text{A} = 35.
Le chlore possède donc 17 protons dans son noyau. Son nombre de nucléons est égal à 35.

nombre de neutrons=nombre de nucleˊons (A)nombre de protons (Z)\text{nombre de neutrons}= \text{nombre de nucléons (A)} - \text{nombre de protons (Z)}

nombre de neutrons=3517=18\text{nombre de neutrons} = 35 - 17 = 18

L’atome de chlore contient donc 18 neutrons.

L’exemple de l'atome d’hydrogène, de symbole H\text{H}

L’hydrogène dans le tableau périodique

Nous repérons dans le tableau que Z=1\text{Z} = 1 et A=1\text{A} = 1.
Autrement dit, l’hydrogène possède 1 proton dans son noyau. Par contre, il n’a pas de neutron car A=Z=1\text{A} = \text{Z} = 1.

Pour être stable, un atome doit être électriquement neutre, son noyau étant chargé positivement, des particules négatives sont nécessaires pour compenser ce dernier. C’est le rôle des électrons.

Les électrons

En dehors du noyau, on trouve les électrons qui forment le nuage électronique.

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Définition

Électron :

Un électron est une particule élémentaire de charge électrique négative qui gravite autour du noyau de l’atome.

Les électrons tournent dans le vide autour du noyau. Ils ne s’éloignent jamais du noyau car les charges positives des protons attirent les charges négatives des électrons.

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À retenir

L’atome est électriquement neutre, il contient donc autant de protons chargés positivement que d’électrons chargés négativement.

Il est possible de déduire le nombre d’électrons d’un atome à partir du nombre de protons.

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Exemple

  • Le chlore contient 17 protons, il y a par conséquent 17 électrons qui gravitent autour de son noyau.
  • L’atome d’hydrogène possède 1 proton et 1 électron qui tourne autour de son noyau.

Bilan des connaissances sur l’atome

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Définition

Atome :

Un atome est un élément indivisible constitutif de la matière. Il est constitué d’un noyau et d’électrons qui tournent autour du noyau. Un atome est électriquement neutre.

L’atome, orbite, vide, proton, neutron, noyau, électron

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À retenir

Chaque atome est caractérisé par un numéro atomique Z\text{Z} et un nombre de nucléons A\text{A} inscrits dans le tableau périodique des éléments.

À partir du tableau périodique des éléments et des propriétés de l’atome que nous venons de voir, on peut donc connaître toutes les principales caractéristiques d’un atome :

numeˊro atomique Z=nombre de protons=nombre d’eˊlectrons\text{numéro atomique Z} = \text{nombre de protons} = \text{nombre d'électrons}

nombre de nucleˊons A=nombre de protons+nombre de neutrons\text{nombre de nucléons A} = \text{nombre de protons} + \text{nombre de neutrons}

La structure de l’atome est dite lacunaire, c’est-à-dire qu’entre le noyau et le nuage d’électrons, il y a du vide, soit une absence de matière.

Plus un atome possède un nombre de masse A\text{A} élevé, plus il est lourd.

  • En effet, la masse d’un atome est essentiellement due à celle des nucléons qui le constituent.

Les atomes les plus légers ont été formés lors des premiers temps qui ont suivi le big bang (hydrogène, hélium) ; certains autres, plus lourds, se sont formés au cœur des étoiles par des réactions de fusion nucléaire (carbone, oxygène, azote, fer).

Conclusion :

Un atome est composé d’un noyau central, chargé positivement autour duquel gravitent des électrons, chargés négativement. Un atome présente une charge globale neutre puisque le nombre de protons est toujours égal au nombre d’électrons.
Enfin, le tableau périodique est d’une grande utilité car, pour chaque atome, il indique le nombre de masse A\text{A} ainsi que son numéro atomique Z\text{Z}.