Atome

Nous avons vu que la matière est constituée de petits grains qu’on appelle des atomes. Ils sont si petits qu’on ne les voit ni à l’oeil nu ni avec un microscope “normal”.

Si une goutte d’eau avait la taille de la Terre,

Un atome aurait la taille d’un homme.

On peut visualiser les atomes au moyen d’appareils compliqués comme le microscope électronique. On découvre alors que la matière a une structure différente de ce que l’on voit à l’oeil nu.

Constitution de l’atome

Tous les atomes sont constitués de 3 particules encore plus petites qui ont des propriétés différentes:

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:

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.

Prenons un atome d’hydrogène: il est formé d’un électron chargé négativement (-) qui “toune autour” dun proton chargé positivement (+)

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.

D’autres exemples:

= symbole du carbone

= 6 protons et 6 électrons

= 12 nucléons soit 6 protons + 6 neutrons

C

6

12

Na

11

23

= symbole du sodium (natrium en allemand)

= 11 protons et 11 électrons

= 23 nucléons soit 11 protons + 12 neutrons

Les éléments

Les éléments sont des atomes qui possèdent le même numéro atomique N. 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)

= tungstène (allemand: wolfram)

= or (latin: aurum)

= mercure (latin: hydrargyrum)

= étain (latin: stannum)

= antimoine (latin: stibium)

= azote (vieux français: nitrogène)

Les isotopes

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:

hydrogène

deutérium

tritium

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

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 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:

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:

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 :

•

Ces réactions sont souvent accompagnées d’émissions de rayons électromagnétiques. L’activité de ces rayons (= “radio”) permet de comprendre la radioactivité. Nous les reverrons plus loin.

longues ondes

•

basse fréquence

énergie faible

ondes courtes

•

haute fréquence

énergie élevée

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solide

liquide

gaz

artificiel

Masse atomique

= nombre de nucléons

(protons + neutrons)

numéro atomique

= nombre de protons dans le noyau

= nombre d’électrons dans l’enveloppe électronique

symbole de l’élément

“H” pour hydrogène

ou

Nom

Hydrogène

Hélium

Lithium

Beryllium

Bore

Carbone

Azote

Oxygène

Fluor

Néon

Sodium

Magnésium

Aluminum

Silicium

Phosphore

Soufre

Chlore

Argon

Potassium

Calcium

Scandium

Titane

Vanadium

Chrome

Manganèse

Fer

Cobalt

Nickel

Cuivre

Zinc

Gallium

Germanium

Arsenic

Sélénium

Brome

Krypton

Rubidium

Strontium

Yttrium

Zirconium

Niobium

Molybdène

Technetium

Ruthenium

Rhodium

Palladium

Argent

Cadmium

Indium

Etain

Antimoine

Tellure

Iode

Xénon

Césium

Barium

Lanthane

Cerium

Praséodyme

Symbole

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

La

Ce

Pr

N

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

Nom

Neodyme

Promethium

Samarium

Europium

Gadolinium

Terbium

Dysprosium

Holmium

Erbium

Thulium

Ytterbium

Lutetium

Hafnium

Tantale

Tungstène

Rhenium

Osmium

Iridium

Platine

Or

Mercure

Thallium

Plomb

Bismuth

Polonium

Astate

Radon

Francium

Radium

Actinium

Thorium

Protactinium

Uranium

Neptunium

Plutonium

Americium

Curium

Berkelium

Californium

Einsteinium

Fermium

Mendelevium

Nobelium

Lawrencium

Rutherfordium

Dubnium

Seaborgium

Bohrium

Hassium

Meitnerium

Darmstadtium

Roentgenium

Copernicium

Ununtrium

Flérovium

Ununpentium

Livermorium

Ununseptum

Ununoctium

Symbole

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Uut

Fl

Uup

Lv

Uus

Uuo

N

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

C’est le principe d’équivalence entre la masse et l’énergie.

A chaque élément est associé un symbole (une lettre majuscule parfois suivie d'une minuscule). On peut classer les éléments selon leur numéro atomique N.

L’univers est composé de milliards de milliards de milliards d’atomes, mais il n’existe qu’une centaine de types d’atomes différents: une centaine d’éléments.

Dans cette image j’ai représenté 20 atomes. Mais il n’y a que 3 sortes d’atomes différents, avec des propriétés (taille, couleur) différentes: ce sont 3 éléments différents.

Fission d’atomes “lourds” (centrale nucléaire, bombe A). Lors d’une fission, des gros noyaux atomiques “se cassent” pour en donner de plus petits.

Fusion d’atomes “légers” (fusion de l’hydrogène dans le soleil, bombe H). Lors d’une fusion, plusieurs petits noyaux atomiques “se collent” pour en donner un plus gros.