Composition et structure de l'atome
L'atome, structure et organisation
Quelles sont les particules qui entrent dans la composition d'un atome ? Quelles sont leurs caractéristiques ? Comment sont-elles assemblées pour former l'atome ?
Cette partie présente les notions essentielles pour comprendre la structure de la matière à l'échelle de l'infiniment petit.
L'organisation de l'atome - Noyau et électrons, chacun à sa place
D'un point de vue général, on distingue deux grandes parties dans un atome. On peut notamment les différencier grâce à leur charge électrique.
Le noyau de l'atome : sa partie centrale, il contient les particules chargées positivement et peut être assimilé à une sphère dont les dimensions sont de l'ordre de 10-15 m.
Le cortège électronique : sa partie périphérique, il contient les particules chargées négativement : les électrons[1].
La taille d'un atome est de l'ordre de 10-10 m. Entre le noyau et le cortège électronique, on trouve du vide. L'essentiel du volume d'un atome est donc occupé par du vide.
On dit que la matière a une structure lacunaire.
Les briques élémentaires de l'atome
Remarque : Particules élémentaires
Dans le cadre du programme de seconde, on considère comme briques élémentaires de l'atome des particules qui ne le sont pas.
Ainsi, on sait maintenant que les protons et neutrons mentionnés dans la suite ne sont pas des particules élémentaires. Ils sont composés de particules plus petites : les quarks.
En revanche, les électrons sont des particules élémentaires.
Le noyau de l'atome est composé de nucléons[2] qui sont de deux types distincts :
Les protons ;
Les neutrons.
Le cortège électronique, quant à lui, ne contient que des électrons[1]. Ces derniers ne sont jamais présents dans le noyau.
Particule | Masse | Charge électrique |
|---|---|---|
Proton | \[m_p = 1{,}673 \times 10^{-27} kg\] | +e |
Neutron | \[m_n = 1{,}675 \times 10^{-27} kg\] | 0 |
Électron | \[m_{e^-} = 9{,}11 \times 10^{-31} kg\] | -e |
On note e la charge électrique élémentaire : \[\mathbf{e=1{,}602 \times 10^{-19} C}\]. Son unité est le coulomb de symbole C.
Tous les échanges de charge lors de réactions chimiques, dans les circuits électriques ou encore lors des phénomènes électrostatiques mettent en jeu des charges multiples entières de la charge élémentaire e.
Notation symbolique, informations sur la composition de l'atome
La notation symbolique ci-dessus permet de regrouper les informations nécessaires à la connaissance complète de la composition d'un atome.
On y fait figurer :
X : Symbole de l'élément chimique correspondant ;
Z : Numéro atomique de l'atome, il correspond au nombre de protons ;
A : Nombre de masse, c'est le nombre de nucléons du noyau, c'est à dire le nombre de protons et de neutrons.
Ainsi, un tel atome contient dans son noyau Z protons et A-Z neutrons.
Son nuage électronique est composé de Z électrons puisqu'il est électriquement neutre.
Attention : Nombre de protons et élément chimique
Le numéro atomique Z, donc le nombre de protons du noyau, est indissociable de l'élément chimique.
Ainsi, un atome possédant 6 protons dans son noyau est forcément un atome de carbone ; un atome possédant 7 protons dans son noyau est nécessairement un atome d'azote, avec les propriétés chimiques qui lui sont associées.
On peut retrouver l'ensemble des éléments chimiques associés à leur numéro atomique dans une classification périodique des éléments[3].
Définition : Isotope
Des atomes ou ions possédant le même nombre de protons dans leur noyau mais des nombres de neutrons différents sont appelés isotopes. Ils possèdent des propriétés chimiques identiques car ils ne diffèrent que par le nombre de neutrons de leur noyau.
Par exemple le deutérium \(^2 _1 H\) est un isotope de l'hydrogène, le plus répandu étant l'hydrogène \(^1 _1 H\).
Exemple : Composition de l'atome de cuivre
Dans ce cas précis : l'atome de cuivre contient donc 29 protons, 63-29=34 neutrons et 29 électrons dans son nuage électronique puisqu'il est électriquement neutre.
Masse de l'atome
On considérera que la masse d'un atome est a priori égale à la masse de l'ensemble des particules qui le composent.
Dans ce cas, la masse d'un atome X symbolisé par , on a vu qu'il était composé de Z protons de masse mp, de A-Z neutrons de masse mn et de Z électrons de masse me.
La masse de l'atome s'obtient donc de la façon suivante :
Simplification du calcul et approximations
Ce calcul peut considérablement se simplifier en remarquant que :
Les protons et les neutrons ont des masses très proches ;
Les électrons ont une masse très faible comparée à celle des nucléons : \({\dfrac{m_p} {m_{e^-}}} ={\dfrac {1{,}6726 \times 10^{-27}} {9{,}1093 \times 10^{-31}} \simeq \mathbf {1800}}\), un proton est donc environ 1800 fois plus massif qu'un électron.
En considérant donc que le proton et le neutron ont des masses similaires, \(\mathbf{m_{nucleons} \simeq 1{,}67 \times 10^{-27} kg}\), et en négligeant la masse des électrons, on obtient l'expression simplifiée suivante :