De l'atome à l'étoile
I - Structure de l'atome
L'atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent des électrons.
Il est constitué de particules élémentaires : les protons et les neutrons désignés sous le nom de nucléons.
Les protons sont chargés positivement : qp = e =+1,6.10^-19 C, de masse très petite m = 1, 7.10^-27 kg.
Les neutrons, particules électriquement neutres, qn = 0 C et ont une masse voisine de celle du proton donc mn = mp
- Le nombre de protons du noyau s'appelle nombre de charge ou numéro atomique et se note Z.
- Le nombre de neutrons se note N.
- Le nombre total de nucléons, noté A est tel que : A = Z + N
2) Les électrons
Un électron est beaucoup plus léger qu'un nucléon.
Sa masse est me = 9,1.10^-31 kg Soit mp/me = 1835
Sa charge électrique est l'opposée de celle du proton soit
qe = -e = -1,6.10^-19 C.
Un atome étant électriquement neutre, il possède autant de protons que d'électrons.
3) Symboles
- Un atome est symbolisé par une ou deux lettres. La première s'écrit toujours en majuscule et la deuxième en minuscule. Le symbole correspond souvent au début du nom de l'atome mais certains sont issus du nom latin comme K(kalium) symbole du potassium.
- Symbole de l'atome :
4) Masse de l'atome
La masse de l'atome est la somme de la masse de ses différents constituants
matome = mnoyau + mélectrons
= (Z.mp + N.mn) + Z.me
Si on néglige la masse des électrons devant celle des protons alors la masse approchée de l'atome est égale à :
matome = Z.mp + N.mn = A.mnucléons
La masse de l'atome est concentrée dans son noyau.
5) Charge d'un atome
La charge éléctrique d'un noyau correspond à la somme des charges des nucléons : qnoyau = Z x qprotons + N x qneutrons
Avec qneutrons = 0 d'où qnoyau = Z x qprotons
Le noyau d'un atome a un rayon de l'ordre de 10-15 m. L'atome peut être considéré comme une sphère de rayon 10-10 m. Le rayon du noyau est environ 100 000 fois plus petit que celui de l'atome.
II. Structure électronique
Au cours du XX° siècle, les scientifiques ont élaboré un modèle de l'atome plus riche que le modèle de Rutherford, permettant d'interpréter la formation des ions et des molécules.
1) Les couches électroniques
Les électrons sont en mouvement autour du noyau : on parle de « cortège électronique » du noyau.
- Les électrons d'un atome se répartissent dans des couches électroniques.
- Chaque couche est représentée par une lettre ; pour les atomes dont le numéro atomique est inférieur à 19, les couches occupées sont les couches K, L et M.
- La dernière couche occupée s'appelle la couche externe. Les électrons qui l'occupent sont appelés les électrons périphériques de l'atome.
2) Règles de remplissage
- Une couche électronique ne peut contenir qu'un nombre limité d'électrons : 2 électrons sur la couche K ; 8 électrons sur la couche L ; 18 électrons sur la couche M ;
Une couche contenant un nombre maximal d'électrons est dite saturée.
- Les électrons commencent par occuper la couche K puis la L et enfin la M. Ils ne peuvent se placer sur une nouvelle couche si la précédente n'est pas pleine.
Le résultat de la répartition des électrons se nomme la structure électronique de l'atome.
3) Représentation de la structure électronique
La structure électronique est composée des lettres correspondant aux couches K,L,M. Les lettres sont écrites entre parenthèse. On indique le nombre d'électrons qu'elles contiennent en exposant.
exemple :
structure électronique de l'atome d'oxygène qui possède 8 électrons :
(K)2 (L)6
Structure électronique de l'atome de carbone : Z = 6 :
(K)2 (L)4
III - Les isotopes
Chaque sorte d'atome est caractérisé par son nombre de proton qui lui est propre.
Par exemple, tous les atomes de carbone contiennent 6 protons dans leurs noyaux et tout atome contenant un nombre différent de protons n'est pas un atome de carbone.
Par contre il est possible que des atomes comportent des nombres de neutrons différents et dans ce cas on dit qu'il s'agit d'isotopes.
Par exemple il existe des atomes de carbones avec 6, 7 ou 8 neutrons: ce sont des isotopes du carbone.
Des isotopes ont les même propriétés chimiques mais leur stabilité peut être différente.
IV - Particules élémentaires
1) Charges élémentaires
Il existe en tout deux types d'éléctricité : Une positive (+), et une négative (-)
- Deux charges du même signe se repoussent
- Deux charges de signe contraire s'attirent
Dans le SI, une charge élémentaire q est mesurée en COULOMB (C)
La charge élémentaire est e = 1,6.10-19 C
La charge d'un corps ne peut être qu'un multiple de la charge élémentaire (voir expérience Milikan ici)
La charge électrique d'un système isolé est constante
2) Les particules élémentaires
On appelle particule élémentaire toute particule indivisible. Les nucléons (protons + neutrons) sont appelés particules élémentaires à tord car ils sont constitués de particules encore plus petite appelés quarks.
La diversité de la matière est le résultat de nombreux arrangement d'atomes entre eux.
- Un atome est constitué de 3 particules élémentaires : Les éléctrons, les protons et les neutrons
- Autour du noyau formé de neutrons et de protons, les électrons sont en mouvement rapide
- Le rayon du noyau est de l'ordre de 1 fm, alors que le rayon de l'atome est de l'ordre de 10^-10 m. La plus grande partie d'un atome est constituée de vide = STRUCTURE LACUNAIRE
3) La matière
Un atome possède un noyau formé d'un nombre Z de proton, d'un nombre N de neutrons soit d'un total de A nucléons.
On a donc A = Z + N
On représente un élément chimique X par :
