L’atome
Un atome aurait la taille d’un homme.
L’atome est si petit qu’on ne le voit ni à l’oeil nu, ni même avec un microscope “normal”.
Si une goutte d’eau avait la taille de la Terre,
Tous les atomes sont constitués de 3 particules qui ont des propriétés différentes:
Les protons et les neutrons sont des nucléons: ils forment le noyau de l’atome autour duquel tournent les électrons. La masse de l’atome est pratiquement concentrée dans le noyau.
Puisque le proton et le neutron ont une masse très voisine et environ 1800 fois plus grande que celle de l’électron, on peut simplifier le tableau qui devient:
= symbole du carbone
= 6 protons et 6 électons
= 12 nucléons soit 6 protons + 6 neutrons
Constitution de l’atome
Les éléments
Les isotopes
sont 3 isotopes du carbone. Le carbone 14 est radioactif (*). Il est instable parce que “trop lourd”: il se désintègre en émettant un rayonnement (radio = rayon).
L’énergie nucléaire
C’est le principe d’équivalence entre la masse et l’énergie.
Plus l’énergie émise est grande, plus l’énergie de liaison des nucléons est grande, plus le noyau est stable. C’est cette énergie considérable qui est mise en jeu dans les réactions de fission d’atome “lourds” (centrale nucléaire, bombe A) et de fusion d’atomes “légers” (fusion de l’hydrogène dans le soleil, bombe H).
En 1913, Nils Bohr propose une nouvelle image de l’atome qui s’accorde mieux avec les expériences. Il reprend l’image précédente et ajoute 2 hypothèses révolutionnaires:
1.
On peut visualiser les atomes au moyen d’appareils compliqués comme le microscope électronique. On découvre alors que la matière a une structure différente que ce que l’on voit à l’oeil nu (ici une feuille d’aluminium)
En 1911, En bombardant une feuille d’or avec un puissant rayonnement alpha, grosses particules chargées positivement, Rutherford a la surprise de constater que l’atome est surtout constitué de vide et que les charges positives sont toutes concentrées dans un noyau central. Ici les 6 électrons du carbone occupent l’espace sphérique autour du noyau.
En 1897, on a découvert que l’électricité n’était pas un fluide (continu) mais une suite de particules (discontinue) qu’on a nommé électrons. Ils ont une charge négative. On s’est mis à représenter l’atome comme une sorte de pain aux raisins: une pâte positive renfermant des grains négatifs (les électrons). Ici on voit le carbone avec ses 6 électrons.
Vers 1850, on se représentait l’atome comme une sphère électriquement neutre. Par exemple le carbone.
Notre représentation de l’atome a beaucoup changé depuis son apparition dans la philosophie en Grèce. Comme toute représentation, elle évolue en fonction de nos connaissances.
C’est l’énergie qui est contenue dans le noyau (du latin: nucleus). Nous avons vu que le noyau est formé de particules neutres ou chargées positivement. La stabilité des noyaux, formés de protons qui normalement se repoussent violemment, s’explique par des forces nucléaires de liaison des nucléons.
Petite expérience virtuelle: fabriquons un atome de lithium à partir de ses constituants:
(d’après Hubert Reeves: “Patience dans l’azur)
Les éléments sont des atomes qui possèdent le même numéro atomique. Ils ont le même nombre d’électrons (donc nous le verrons les mêmes propriétés chimiques).
On désigne les éléments par des symboles, généralement tirés du nom français:
= bore
= calcium
= fluor
= fer
= zinc
= oxygène
B
Ca
F
Fe
Zn
O
Certains symboles viennent d’une autre langue:
Na
K
W
Au
Hg
Sn
Sb
N
= sodium (allemand: natrium)
= potassium (allemand: kalium)
= thungstène (allemand: wolfram)
= or (latin: aurum)
= mercure (latin: hydragyrum)
= étain (latin: stannum)
= antimoine (latin: stibium)
= azote (vieux français: nitrogène)
Prenons un atome d’hydrogène: c’est le premier du tableau périodique des éléments.
Les électrons tournent sur des orbites privilégiées: ils ne perdent pas d’énergie pour finir leur course en chutant sur le noyau comme le voudrait la physique classique (comme les satellites autour de la Terre).
Pour des raisons pratiques, nous représenterons les atomes à 2 dimensions: le carbone avec 2 électrons sur la 1ere couche (qui ne peut contenir que 2 électrons au maximum: ) et 4 électrons sur la 2e couche (qui pourrait en abriter 8 en tout: ).
Représentation de l’atome
symbole de l’élément
“H” pour hydrogène
numéro atomique
= nombre de protons dans le noyau
= nombre d’électrons dans l’enveloppe électronique
Masse atomique
= nombre de nucléons
(protons + neutrons)
D’autres exemples:
ou
C
6
12
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Dans l’écriture courante, on symbolise l’hydrogène
La valeur de la masse atomique est arrondie à 1. En effet la valeur de la masse atomique (1,008) est une moyenne de la masse d’une population d’atomes. Et ils ne sont pas tous pareils. Nous y reviendrons prochainement.
ou
= symbole du sodium (natrium en allemand)
= 11 protons et 11 électons
= 23 nucléons soit 11 protons + 12 neutrons
Na
11
23
hydrogène
Les atomes qui ont le même numéro atomique mais un nombre de masse différent sont les isotopes d’un même élément.
Exemple:
Dans une population d’atomes d’hydrogène, on en trouve 3 différents:
Ce sont les 3 isotopes de l’hydrogène
Ils ont des propriétés chimiques semblables (chaque atome a 1 électron pour se lier) mais des propriétés physiques différentes, leur masse étant dans un rapport 1 : 2 : 3
En 1932, l’anglais James Chadwick découvre une nouvelle particule nucléaire (particule dans le noyau de l’atome): le neutron.
Au moment où les noyaux se forment à partir des nucléons isolés, on assiste à la disparition d’une certaine quantité de matière: c’est le défaut de masse. Cette matière se transforme en énergie selon la célèbre formule:
deutérium
tritium
Solide
Liquide
gaz
artificiel
2.
Les électrons “gravitent” sur des orbites qui correspondent à différents niveaux d’énergie discontinus. On dit que l’énergie est quantifiée. On trouve au maximum électrons par couche.
