Un modèle de l'atome
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• citer les constituants de l'atome et ceux de son noyau : les protons et les neutrons ;
• donner la charge et la masse du proton, du neutron et de l'électron ;
• donner l'ordre de grandeur de la taille d'un atome et de son noyau ;
• caractériser un noyau par son nombre de charge Z et son nombre de masse A, et utiliser le symbole AZX ;
• vérifier l'électroneutralité d'un atome.
Prérequis : charge électrique, l'atome formé d'un noyau et d'électrons (collège), symboles de quelques atomes.
Situation de départ
La mine d'un crayon à papier est en graphite, c'est-à-dire en carbone. Sur une épaisseur de 1 mm, on pourrait aligner environ cinq millions d'atomes de carbone côte à côte !
Un atome est donc extraordinairement petit. Les savants grecs le croyaient insécable : le mot « atome » vient du grec atomos, « qu'on ne peut pas couper ». Est-ce vrai ? De quoi un atome est-il fait ?
I. De l'idée d'atome au modèle de Rutherford
Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité. Il permet d'expliquer des observations et de faire des prévisions ; l'expérience permet de le valider, de l'améliorer ou de le rejeter. Le modèle de l'atome s'est construit peu à peu :
• vers 420 avant J.-C., Démocrite imagine que la matière est faite de grains insécables, les atomes ;
• en 1897, J. J. Thomson découvre l'électron, une particule chargée négativement présente dans tous les atomes : l'atome n'est donc pas insécable ;
• en 1911, E. Rutherford montre que l'atome possède un noyau minuscule, chargé positivement, entouré de beaucoup de vide.
Dans l'expérience de Rutherford, des particules α (chargées positivement) sont lancées sur une feuille d'or très mince. Presque toutes la traversent en ligne droite ; une infime partie est fortement déviée, et quelques-unes rebondissent.
L'atome est formé d'un noyau central, chargé positivement, autour duquel se déplacent des électrons chargés négativement. Il est constitué essentiellement de vide : on dit que la matière a une structure lacunaire.
II. Le noyau : protons et neutrons
Le noyau est lui-même formé de particules appelées nucléons. Il en existe deux sortes :
• le proton, mis en évidence par Rutherford vers 1919 : il porte une charge positive égale à la charge élémentaire e = 1,6.10-19 C ; sa masse vaut mp = 1,6726.10-27 kg ;
• le neutron, découvert par James Chadwick en 1932 : comme son nom l'indique, il est électriquement neutre ; sa masse, mn = 1,6749.10-27 kg, est très voisine de celle du proton.
Tous les protons sont identiques, et tous les neutrons aussi : d'un noyau à l'autre, seuls leurs nombres changent.
Dans les calculs courants, on prend la même masse pour le proton et le neutron : mp ≈ mn ≈ 1,67.10-27 kg.
La charge élémentaire e est la plus petite charge électrique libre que l'on observe : toute charge électrique est un multiple entier de e.
III. Les électrons
1. Caractéristiques
L'électron porte une charge négative, opposée à la charge élémentaire : qe = - e = - 1,6.10-19 C. Sa masse est extrêmement faible : me = 9,1.10-31 kg, soit environ 1836 fois moins que celle du proton.
Les électrons de tous les atomes sont identiques : l'électron est une particule universelle. Un atome se distingue d'un autre par le nombre de ses électrons, pas par leur nature.
Les particules de l'atome
| Particule | Où ? | Charge (C) | Masse (kg) |
|---|---|---|---|
| proton | noyau | + e = + 1,6.10-19 | 1,67.10-27 |
| neutron | noyau | 0 | 1,67.10-27 |
| électron | autour du noyau | - e = - 1,6.10-19 | 9,1.10-31 |
2. Le nuage électronique
Les électrons sont animés d'un mouvement très rapide et désordonné autour du noyau : il est impossible de leur attribuer une trajectoire précise. L'ensemble des positions qu'ils peuvent occuper forme le nuage électronique ; il est plus dense là où la probabilité de trouver un électron est plus grande.
Le diamètre d'un atome est de l'ordre de 10-10 m ; celui de son noyau, de l'ordre de 10-15 m. Le noyau est donc environ 10-10 / 10-15 = 105, soit 100 000 fois plus petit que l'atome.
3. La masse de l'atome est concentrée dans son noyau
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