Cours : Le noyau de l'atome

Les éléments chimiques

Notion d’élément et classification

Les progrès de la chimie expérimentale, notamment aux XVIII^e et XIX^e siècles, ont permis de mesurer les masses atomiques d’un grand nombre de corps purs simples et d’établir leur réactivité et leurs propriétés chimiques.
Le chimiste français Lavoisier, puis le chimiste russe Mendeleiev, ont proposé indépendamment des classifications des corps purs simples : ceux-ci étaient arrangés par masse atomique croissante, et Mendeleiev observa que des espèces de propriétés chimiques similaires apparaissent de manière périodique dans cette suite, formant des familles.

Une conséquence majeure de l’écriture de cette classification fut de prédire l’existence d’éléments chimiques qui n’avaient pas encore été découverts, ni observés alors. Cette première classification différait très légèrement de celle utilisée aujourd’hui, qui fait l’objet du chapitre suivant « Configuration électronique d'un atome ».
En effet, la classification actuelle est basée sur le nombre de protons plutôt que sur la masse atomique, et regroupe dans le tableau périodique 118 éléments dont 92 naturels.

Rappel

Un élément chimique est défini par le nombre de protons que compte son noyau. Celui-ci est égal au nombre d’électrons que compte son cortège électronique.
Il n’est pas possible de transformer un élément en un autre par réaction chimique.

Le noyau dans l’atome

Rappel

L’atome est composé d’un noyau entouré d’électrons.

Les électrons se déplacent dans l’espace « vide » autour du noyau - ceux qui en sont plus proches le traversent parfois. On les représente souvent comme de « petites billes » gravitant autour du noyau – une « bille plus grande » – sur des orbites circulaires.

Même si ce n’est pas exact cela permet de comprendre et prévoir certaines caractéristiques comme par exemple les propriétés magnétiques des matériaux. Celles-ci sont importantes en spintronique (une branche de l’électronique) ou pour mesurer à distance des champs magnétiques (par exemple celui du Soleil).

À retenir

Le volume de l’atome est le volume occupé par le cortège électronique.
Il peut être représenté comme une sphère de diamètre $d_{A} \approx10^{-10}\ \text{m} = 1\ \text{Å}$.

Le symbole $\text{Å}$ représente l’Angström, une unité de longueur utilisée en physique atomique.

Le noyau est bien plus petit avec un diamètre $d_{N}\approx 10^{-15}\ \text{m} = 1\,\text{fm} $ (femtomètre).

• Pour comparer les tailles de l’atome et du noyau on écrit leur rapport : $$\dfrac{d_{N}}{d_{A}} \approx \dfrac{10^{-15}}{10^{-10}} = 10^{-15+10} = 10^{-5}$$ Le diamètre du noyau est $100\ 000$ fois plus petit que celui de l’atome.
• Comparons aussi les volumes du noyau et de l’atome. Ces deux entités sont sphériques et le volume d’une sphère de diamètre $d$ vaut $\dfrac{4}{3} \pi \left(\dfrac{d}{2}\right)^{3}$ donc : $$\dfrac{V_{N}}{V_{A}}\approx \left( \dfrac{d_{N}}{d_{A}} \right)^{3} \approx 10^{-5 \times 3} \approx 10^{-15}$$ Le noyau occupe un volume d’un billiard de fois plus petit que l’atome.
• Le noyau est constitué de protons et de neutrons, dont la masse est environ $1\ 800$ fois plus importante que celle des électrons.

Comme on le reverra plus loin l’atome contient autant de protons que d’électrons.

À retenir

Dans un atome, le noyau est donc quelques milliers de fois plus lourd que le cortège électronique. Le noyau concentre donc la quasi-totalité de la masse de l’atome.

Composition du noyau

Le noyau est composé de protons et de neutrons. Seuls les protons sont chargés électriquement, donc le nombre de protons est une indication de la charge électrique du noyau. De cette charge totale dépend la configuration du cortège électronique, ce nombre identifie donc un élément chimique.

Définition

Numéro atomique :

Le numéro atomique $Z$ est le nombre de protons contenus dans un noyau atomique. C’est un nombre entier sans dimension.

Exemple

L’atome d’hydrogène contient un proton, son numéro atomique est donc $Z=1$.
L’atome de carbone contient $6$ protons et a donc pour numéro atomique $Z=6$.

Le proton et le neutron ont quasiment la même masse, donc le nombre total de particules est une indication de la masse du noyau et de l’atome.

Définition

Nombre de masse :

Le nombre de masse $A$ est le nombre total de protons et neutrons du noyau d’un élément chimique. C’est un nombre entier sans dimension.

Exemple

Un atome d’hydrogène contient un proton, son nombre de masse vaut donc $A=1$. On trouve dans la nature de petites quantités d’atomes d’hydrogène contenant $1$ ou $2$ neutrons. De tels atomes ont pour nombres de masse, respectivement, $A=2$ ou $A=3$.

À retenir

Par convention on écrit l’élément chimique $X$, de numéro atomique $Z$ et de nombre de masse $A$, de la manière suivante : $$^{A}_{Z} X$$

Exemple

L’atome d’hydrogène sans neutron est noté $^{1}_{1} \text{H}$.

Un atome de carbone contenant $6$ neutrons est noté $^{12}_{6} \text{C}$.

Les particules constitutives de la matière

Jusqu’à la mise en évidence de la fission nucléaire et de la nature de la radioactivité, l’atome était considéré comme le plus petit élément, insécable de la matière. Il est en fait composé de particules plus petites dont voici les caractéristiques.

L’électron

Autour du noyau atomique gravitent des électrons, qui sont des particules élémentaires.

Définition

Particule élémentaire :

Une particule élémentaire est un morceau indivisible de matière.

La désignation de particule élémentaire dépend de l’état actuel des connaissances. Par exemple, l’atome a longtemps été considéré comme indivisible.

À retenir

L’électron est une particule élémentaire :

• de masse $m_{e} \approx 9,1\times10^{-31}\text{kg}$ ;
• de charge électrique négative $q_{e} \approx - 1,6\times10^{-19} \text{C}$.

Le proton et le neutron

Le noyau de l’atome est constitué de protons et de neutrons. Ceux-ci sont constitués de particules élémentaires appelées quarks.

À retenir

Le proton est un constituant du noyau :

• de masse $m_{p} \approx 1,6726\times10^{-27}\text{kg}$, généralement arrondie à $1,67\times10^{-27}\text{kg}$ pour les calculs ;
• de charge positive $q_{p} \approx +1,6\times10^{-19}\text{C}$.

Le neutron est un constituant du noyau :

• de masse $m_{n} \approx 1,6749\times10^{-27} \text{kg}$ ;
• de charge électrique nulle.

Les protons et neutrons sont aussi appelés nucléons : littéralement, des constituants du noyau.

Les masses du proton et du neutron sont très proches. Comparons les masses d’un électron et d’un nucléon : $$\dfrac{m_{p}}{m_{e}} \approx \dfrac{1,67\times10^{-27}}{0,91\times10^{-30}} \approx 1,8\times10^{-27+30} \approx 1,836 152\times\,10^{3}$$

L’électron est environ $1\ 800$ fois plus léger que le proton ou le neutron.

• Dans l’atome, la masse du cortège électronique est donc négligeable devant celle du noyau.

Attention

La masse du noyau est un peu inférieure à la somme des masses de ses constituants, à cause de l’énergie de cohésion du noyau, appelé énergie de liaison, que nous verrons donc un prochain cours.

Définition

L’unité de masse :

L’unité de masse atomique (uma) de symbole $u$ est définie comme un douzième de la masse d’un noyau de $^{12} \text{C}$.
La masse d’un atome de nombre de masse $A$, très proche de celle de son noyau, vaut alors :
$$m = A \times u$$

• $u$ vaut approximativement $1,6605\times10^{-27}\ \text{kg}$.

Neutralité de l’atome

Les charges électriques du proton et d’électron sont exactement opposées. On peut alors définir une unité de charge commode en physique atomique.

Définition

Charge élémentaire :

La charge élémentaire, notée $e$, est la valeur absolue des charges électriques du proton (positif) et de l’électron (négatif) :
$$e \approx 1,6\times10^{-19} \text{C}$$

La charge électrique des protons et électrons assure aussi une propriété importante de l’atome : sa neutralité électrique.

À retenir

L’atome est électriquement neutre car il contient le même nombre de protons (positifs) et d’électrons (négatifs), de charges électriques opposées.