Taille de l’atome
et de son noyau

À partir des informations données dans la vidéo
qui suit, on peut déterminer l’ordre de grandeur
de la taille d’un atome et de la taille de son noyau.

Notez les informations utiles
et essayez de déterminer
ces ordres de grandeur.

diamètre cheveu $\approx$ $\pu{10^{-4}m}$

$\Rightarrow$ diamètre atome $\approx$ $\pu{10^{-10}m}$

$\Rightarrow$ diamètre noyau $\approx$ $\pu{10^{-15}m}$

En utilisant des unités plus adaptées
grâce aux bons sous-multiples :

• taille d'un atome : $\pu{0,1 nm}$
• taille du noyau : $\pu{1 fm}$

Si le noyau d’un atome avait la taille
d’une bille (1 cm), quelle serait
la taille de l’atome ?

1. 1 m
2. 100 m
3. 1 km
4. 1000 km

L'atome est 100 000 fois plus grand que son noyau :
c'est essentiellement du vide !

Modèle de l’atome

L’atome est constitué d’un nuage électronique entourant son noyau.

Le nuage électronique est entièrement
responsable de la taille de l'atome.

Le nuage électronique est constitué d’électrons, particules élémentaires ponctuelles
portant une charge négative.

Caractéristiques d’un électron :

• charge : $\pu{-1,6E-19 C}$
• masse : $\pu{9,1E-31 kg}$

Le noyau est composé de protons,
particules portant une charge positive
et de neutrons, particules de charge nulle.

Protons et neutrons sont des nucléons.

Caractéristiques d’un proton :

• charge : $\pu{+1,6E-19 C}$
• masse : $\pu{1,7E-27 kg}$

Caractéristiques d’un neutron :

• charge : $\pu{0 C}$
• masse : $\pu{1,7E-27 kg}$

Que remarquez-vous ?

• concernant les charges :

La charge d'un proton est
parfaitement opposée à celle d'un électron.
Or un atome étant électriquement neutre, il y a donc dans un atome autant d'électrons que de protons.

• concernant les masses :

Les protons et neutrons ont quasiment
la même masse qui est environ
2000 fois plus grande que celle
d'un électron.

On en conclut que le noyau est responsable de
la quasi intégralité de la masse d'un atome.

Ions

Un ion est un atome ou un assemblage d’atomes
qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.

Comme les atomes et molécules sont
électriquement neutres, les ions sont chargés :

• négativement pour les anions
  qui ont gagné des électrons
• positivement pour les cations
  qui ont perdu des électrons

Un atome de sodium $\ce{Na}$ perd un électron.

Que devient-il ?

1. l'ion $\ce{Na+}$
2. l'ion $\ce{Na-}$
3. un atome de néon $\ce{Ne}$
4. un atome de magnésium $\ce{Mg}$

Il a perdu une charge négative :
il devient le cation $\ce{Na+}$.

Molécules

Entité électriquement neutre
comprenant plus d’un atome.

Exemple : le saccharose $\ce{C12H22O11}$

L’élément chimique

Le noyau renferme l'identité de l'atome :

Son nombre de nucléons, noté $A$, permet de déterminer approximativement sa masse.

Rq : on appelle aussi $A$ le "nombre de masse".

Son nombre de protons, noté $Z$ et appelé numéro atomique, conditionne le nombre d’électrons
et ainsi toutes ses propriétés chimiques.

À un numéro atomique correspond un symbole chimique unique fait d'une majuscule parfois associée à une minuscule. Il désigne l'élément chimique.

Le cuivre n’a jamais disparu.
La preuve : on le retrouve à la fin.

Jamais son noyau n'est modifié
par les transformations chimiques,
seul son nuage électronique l'est.

L'identité de l'élément cuivre est gardée
en son cœur, dans les 29 protons de son noyau.

Le rêve des alchimistes de transformer
le plomb en or était donc voué à l’échec.

Aucune réaction chimique ne sera jamais capable de modifier un élément. Seules les réactions nucléaires (beaucoup plus énergétiques) le peuvent.

Tous les éléments connus sont répertoriés
dans le tableau périodique des éléments.

La première mouture du tableau a été conçue
par le chimiste russe Mendeleïev en 1869.

Le tableau contient aujourd’hui 118 éléments.

À partir du bismuth $\ce{Bi}$ (Z = 83),
ils sont tous radioactifs (instables).

Écriture conventionnelle
d’un noyau

Rq :

Comme le numéro atomique n’est associé qu’à un unique symbole chimique, on peut se passer de Z
pour déterminer la composition du noyau.

Comment obtenir le nombre de neutrons N
si on connaît Z et A ?

N = A - Z

Petits exercices :

• Donner la composition du noyau s'écrivant $\ce{_{7}^{15}N}$ :
• Z = 7 $\Rightarrow$ 7 protons
• A = 15 $\Rightarrow$ N = A - Z = 15 - 7 = 8 neutrons
• Donner la composition du noyau s'écrivant $\ce{^{1}H}$ :
• Z = 1 $\Rightarrow$ 1 proton
• A = 1 $\Rightarrow$ N = A - Z = 1 - 1 = 0 neutron
• Donner la composition du noyau s'écrivant $\ce{^{63}Cu}$ :
• Z = 29 $\Rightarrow$ 29 protons
• A = 63 $\Rightarrow$ N = A - Z = 63 - 29 = 34 neutrons

• Donner l'écriture symbolique du noyau
  contenant 6 protons et 8 neutrons :
• 6 protons $\Rightarrow$ Z = 6 $\Rightarrow$ symbole : $\ce C$
• 8 neutrons $\Rightarrow$ A = 6 + 8 = 14 nucléons
• D'où $\ce{^{14}_6 C}$ (c'est le carbone 14)
• Donner l'écriture symbolique du noyau
  contenant 79 protons et 118 neutrons :
• 79 protons $\Rightarrow$ Z = 79 $\Rightarrow$ symbole : $\ce{Au}$
• 118 neutrons $\Rightarrow$ A = 79 + 118 = 197 nucléons
• D'où $\ce{^{197}_{79} Au}$ (c'est l'or 197)