Noyau atomique : protons, neutrons, électrons
Noyau atomique : protons, neutrons, électrons
Un atome, c’est un minuscule noyau qui contient des protons et des neutrons, entouré d’électrons ; c’est le nombre de protons qui dit de quel élément il s’agit.
Objectifs
- Décrire la structure d’un atome : noyau (protons et neutrons) et électrons.
- Connaître la charge et la masse de chaque particule.
- Utiliser le numéro atomique \(Z\) et le nombre de masse \(A\) pour compter les particules.
- Expliquer pourquoi un atome est électriquement neutre et comment se forme un ion.
1. La structure de l’atome
Le rayon d’un atome est de l’ordre de \(10^{-10}\ \mathrm{m}\) ; celui de son noyau est de l’ordre de \(10^{-15}\ \mathrm{m}\). Le noyau est donc environ \(100\,000\) fois plus petit que l’atome : l’atome est essentiellement constitué de vide. On parle de structure lacunaire.
flowchart TD A[Atome] --> B[Noyau] A --> C[Electrons charge negative] B --> D[Protons charge positive] B --> E[Neutrons neutres]
Légende le modèle : à gauche l’atome, à droite le noyau vu « à la loupe ».
- 1897Joseph John Thomson découvre l’électron.
- 1911Ernest Rutherford montre que l’atome possède un noyau très petit, chargé positivement, entouré de vide.
- 1919Rutherford met en évidence le proton.
- 1932James Chadwick découvre le neutron.
Où se trouvent les protons et les neutrons ?
2. Charge et masse des particules
| Particule | Charge électrique | Masse |
|---|---|---|
| Proton | \(+e\) | \(m_p \approx 1{,}67 \times 10^{-27}\ \mathrm{kg}\) |
| Neutron | \(0\) (neutre) | \(m_n \approx 1{,}67 \times 10^{-27}\ \mathrm{kg}\) |
| Électron | \(-e\) | \(m_e \approx 9{,}1 \times 10^{-31}\ \mathrm{kg}\) |
La charge élémentaire vaut \(e \approx 1{,}6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}\) (coulomb). Un électron est environ \(1\,800\) fois plus léger qu’un proton.
Quelle particule est électriquement neutre ?
3. Numéro atomique, nombre de masse et neutralité
Exemple résolu 1 : l’atome de sodium \({}^{23}_{11}\mathrm{Na}\)
Le sel de cuisine contient du sodium. Donne la composition de l’atome. Cherche d’abord, puis dévoile.
Exemple résolu 2 : l’atome d’aluminium \({}^{27}_{13}\mathrm{Al}\)
Les marmites en aluminium sont courantes dans les cuisines d’Afrique de l’Ouest. Donne la composition de l’atome et une estimation de sa masse.
Voir la solution
13 protons, \(27 - 13 = 14\) neutrons, 13 électrons.
La masse des électrons est négligeable, donc la masse de l’atome est à peu près celle de ses 27 nucléons :
\[m \approx 27 \times 1{,}67 \times 10^{-27} \approx 4{,}5 \times 10^{-26}\ \mathrm{kg}.\]Combien de neutrons contient le noyau \({}^{35}_{17}\mathrm{Cl}\) ?
Un atome possède 8 protons et 8 neutrons. Quelle est son écriture ?
4. Isotopes et ions
Exemple résolu 3 : l’ion aluminium \(\ce{Al^3+}\)
Exemple résolu 4 : l’ion chlorure \(\ce{Cl-}\)
Voir la solution
Le chlore (\(Z = 17\)) a 17 électrons. Le signe \(-\) indique qu’il a gagné 1 électron : l’ion \(\ce{Cl-}\) a 17 protons et 18 électrons. Avec le noyau \({}^{35}_{17}\mathrm{Cl}\), il a aussi 18 neutrons.
L’ion magnésium \(\ce{Mg^2+}\) vient d’un atome de numéro atomique \(Z = 12\). Combien d’électrons possède-t-il ?
Récapitulatif
- L’atome = un noyau très petit (protons + neutrons) entouré d’électrons ; il est surtout fait de vide.
- Proton : \(+e\) ; neutron : neutre ; électron : \(-e\), masse négligeable.
- \({}^{A}_{Z}\mathrm{X}\) : \(Z\) protons, \(A\) nucléons, \(N = A - Z\) neutrons, \(Z\) électrons pour l’atome neutre.
- Isotopes : même \(Z\), \(A\) différents. Ion : atome qui a gagné ou perdu des électrons.
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