L'atome

L’atome

par
  1. Qu’est-ce qu’un atome ?
  2. Etymologie
  3. L’histoire de la théorie atomique
  4. Structure et constituants de l’atome
  5. La forme d’un atome
  6. La taille d’un atome
  7. Neutralité électrique
  8. Le numéro atomique
  9. Le nombre de nucléons
  10. Le nombre de neutrons
  11. Décrire la composition d’un atome
  12. Symboles atomiques
  13. Isotopes
  14. Les transformations de l’atome
  15. L’énergie atomique
  16. L’origine des atomes

Qu’est-ce qu’un atome ?

Un atome est une particule (autrement dit une “partie” de matière) de taille microscopique. Il est présent dans la majorité des substances qui nous entourent mais aussi dans celles qui nous constituent.

Les atomes sont les constituants des:

  • gaz
  • liquides
  • solides
  • molécules
  • matières minérales (eau, dioxyde de carbone….)
  • matières organiques (glucides, protides lipides…)
  • métaux
  • matières plastiques
  • tissus vivants
  • matières la planète Terre
  • matières de toutes les planètes
  • matières du Soleil
  • matières de toutes les étoiles
  • matières de tous les astres

Etymologie

“atome” dérive de “atomos”, un mot inventé par les philosophes grecs de l’antiquité. C’est un terme qui est formé par l’association:

  • du préfixe privatif “a” que l’on retrouve par exemple dans “amorale” (sans morale), “apolitique” (qui ne se revendique d’aucune tendance politique), “apatride” (sans patrie) etc
  • “tomos” formé à partir de verbe “temnein” qui signifie “couper”

Par conséquent “atomos” signifie “qui ne peut pas être coupé” ou plus simplement “insécable”.
Pour la théorie atomique grecque de l’antiquité les atomes étaient en effet les plus petites “unités” de matière, des grains de matière indivisibles.

Remarque
On sait aujourd’hui que l’atome n’est pas une particule élémentaire car il peut être divisé (en électrons et noyau). Bien que ce nom ne soit plus tout à fait adapté à nos connaissances actuelles il a cependant été conservé.

L’histoire de la théorie atomique

Il faut tout d’abord préciser que la théorie atomique défend l’idée selon laquelle la matière est composée de particules appelées “atome”. Aujourd’hui il paraîtrait absurde d’en douter mais cela n’a pas toujours été le cas, cette théorie est à l’origine de controverses, de vifs débats et a pendant longtemps été délaissée au profit de la théorie des 4 éléments d’Aristote.

  • L’Histoire retient que que le concept d’atome a été forgé par le philosophe grec Leuccipe (né en -460 et mort en -370) et son disciple Démocrite d’Abdère (dit le “philosophe rieur” !, également né en -460 et mort en -370) qui considèrent que toute matière recèle en son sein ces particules indivisibles.
  • La théorie atomique est supplantée pendant près de 2000 ans par la théorie des quatre éléments d’Aristote qui décrit la matière comme une combinaison de feu, d’air, d’eau et de terre.
  • En 1802 le chimiste britannique John Dalton expose une théorie atomique moderne plus élaborée où il identifie 6 sortes d’atomes (l’hydrogène, l’oxygène, le carbone, l’azote, le phosphore et le soufre) capables de se combiner pour former différents composés. Cette nouvelle théorie atomique s’appuie sur des mesures de masses, de proportions et surtout sur le principe de conservation de la masse énoncé par Lavoisier.
  • En 1808 John Dalton développe cette théorie dans un ouvrage intitulé “A new system of chemical philosophy” que l’on peut traduire par “Un nouveau système de philosophie chimique”.
  • En 1897 le physicien britannique Joseph John Thomson obtient, lors d’une expérience un faisceau cathodique composé de particules négatives issues d’une pièce métallique appelée “cathode”. Il en déduit que ces particules négatives proviennent des atomes de la cathode et démontre ainsi que l’atome n’est par une une particule élémentaire: il est composé, entre autres, de particules plus petites et négatives baptisées électrons.
  • En 1904, suite à la découverte de l’électron Thomson propose un modèle atomique appelé “plum pudding” (ou cake aux raisins) dans lequel il décrit l’atome comme une sorte de pâte positive dans laquelle seraient noyés des grains négatifs (les électrons).
  • En 1909 le physicien britannique Ernest Rutherford réalise une expérience connue sous le nom d’ “expérience de Rutherford” au cours de laquelle il bombarde une feuille d’or avec des particules alpha. Ces particules chargées positivement sont émises par une source radioactive et traversent pour la plupart la feuille d’or sans être déviées. Seule une petite fraction d’entre elles sont déviées ou rebondissent. Rutherford en déduit que les atomes d’or sont constitués d’une structure centrale positive qu’il baptise “noyau”. Ce noyau serait responsable de la déviation de certaines particules alpha (en raison de la force électrique répulsives qu’il exerce) alors que les autres passeraient dans l’espace vide séparant le noyau des électrons.
  • En 1911 Ernest Rutherford propose un modèle atomique planétaire basé sur les résultats de son expérience, il propose de décrire l’atome comme l’association d’un noyau central positif concentrant la plus grande partie de la matière atomique autour duquel tourneraient les électrons négatifs comme les planètes tournent autour du Soleil.
  • En 1913 le physicien Danois Niels Bohr propose un modèle quantique de l’atome (aussi appelé modèle de Bohr) qui contrairement au modèle de Rutherford permet d’expliquer l’orbite stable des électrons autour du noyau ainsi que l’émissions et l’absorption de rayonnement. Dans ce modèle les électrons tournent toujours autour du noyau mais ne peuvent adopter que certaines orbites particulières coïncidant chacune avec un niveau d’énergie (ce qui permet d’expliquer l’existence de spectres d’émission et d’absorption). C’est ce modèle qui est utilisé au lycée.
  • En 1926 le physicien autrichien Erwin Schrödinger propose un modèle quantique de l’atome dit probabiliste. Il adapte le modèle de Bohr et lève ses contradictions en appliquant à l’atome les lois de la mécanique quantique: les électrons ne sont plus clairement localisés autours de l’atome, ils sont décrits par des équations dont sont déduites des probabilités de présence.

Structure et constituants de l’atome

Un atome est constitué de trois sortes de particules:

Les protons et les neutrons ont des tailles et des masses proches, ils appartiennent à la même famille de particules: les nucléons. Ce sont les particules qui constituent le noyau de l’atome.

Le noyau est la partie centrale de l’atome, il concentre la plus grande partie de la matière de ce dernier. Les nucléons y sont maintenus ensemble par une force nucléaire bien plus intense que la force électrique répulsive qui s’exerce entre les protons. Etant donné que les neutrons sont des particules neutres et que chaque proton porte une charge élémentaire positive, le noyau est toujours chargé positivement et possède un nombre de charges élémentaires égal à celui du nombre de protons. Un noyau possède en général un nombre proche (mais pas toujours identique) de protons et de neutrons.

Les électrons sont des particules portant chacune une charge électrique élémentaire négative, ils tournent autour du noyau en suivant certaines orbites (formant des couches électronique). L’ensemble des électrons d’un atome constituent ce que l’on appelle le nuage électronique. Ce nuage électronique possède une charge électrique négative qui est l’exacte opposée de celle du noyau.

Entre le noyau et les électrons il y a un immense espace vide, ce dernier est même le constituant majoritaire de l’atome: on dit que ce dernier a une structure lacunaire. L’atome a un rayon dont l’ordre de grandeur est de 10-10 m tandis que celui du noyau est le plus souvent de 10-14 m (sauf pour les petits atomes). Si le noyau était une sphère de 1 m alors les électrons évolueraient à environ 10 km avec une zone intermédiaire vide ! Cela représente une proportion de 99,99999999999 % de vide !

La forme d’un atome

Un atome ne possède par de “surface” clairement définie, sa frontière coïncide avec les trajectoires des électrons les plus externes (les plus éloignés du noyaux). Cependant, pour simplifier, on considère qu’un atome possède une forme sphérique.

La taille d’un atome

L’hydrogène est le plus petit atome (de numéro atomique Z=1) et possède un rayon 2,5.10-11 m
Le césium (numéro atomique Z = 55) est quant à lui le plus volumineux avec un rayon atomique de 2,6.10-10 m

Pour simplifier on peut retenir que les atomes sont des sphères dont le rayon a pour ordre de grandeur 10-10 m

Neutralité électrique

Un atome est une particule électriquement neutre, ce qui signifie que sa charge électrique globale est nulle: les charges électriques négatives des électrons sont compensées par les charges positives du noyau.

Puisque chaque électron porte une charge -e et chaque proton une charge +e cette neutralité implique qu’un atome possède le même nombre d’électrons que de protons

Puisque le numéro atomique Z d’un atome correspond au nombre de protons il correspond aussi au nombre d’électrons.

Le numéro atomique

Le numéro atomique se note Z (toujours en majuscule) et correspond au nombre de protons présents dans le noyau. Ce numéro peut être trouvé dans le tableau périodique (il s’agit du plus petit nombre mentionné à coté du symbole atomique)

Ce numéro atomique ne change pas quelles que soient les transformations subies par l’atome y compris s’il est ionisé (s’il gagne ou perd des électrons)

En raison de la neutralité électrique (voir paragraphe précédent) Z représente aussi le nombre d’électrons.

Le nombre de nucléons

Le nombre de nucléons d’un atome est noté A (en majuscule) il représente le nombre total de nucléons présents dans le noyau et correspond donc à la somme du nombre de protons et de neutrons: A = Z + N.

Ce nombre est aussi appelé “Nombre de masse” car en raison de la définition choisie pour la mole, un atome de nombre de nucléons “A” possède une masse molaire de valeur A (en g/mol). Ainsi l’isotope 12 du carbone (A =12) possède une masse molaire qui vaut 12 g/mol.

Le nombre de neutrons

Le nombre de neutrons est noté N, il n’est en général pas mentionné dans le tableau périodique mais il peut être déduit du nombre de nucléons (A) et du nombre de proton (Z):

N = A – Z

Des atomes ayant le même numéro atomique (correspondant donc au même élément) peuvent posséder des nombres différents de neutrons: on dit alors qu’ils sont isotopes entre eux.
En général le nombre de neutrons est identique ou très proche (de quelques unités en plus ou en moins) du numéro atomique surtout pour les atomes des premières lignes du tableau périodique.

Décrire la composition d’un atome

Décrire la composition d’un atome consiste à indiquer le nombre d’électrons, de protons et de neutrons qui le constituent. Selon la situation et les données du problème il existe plusieurs manières pour trouver ces nombres mais le plus souvent on fait appel au du tableau périodique.

Si le nom ou le symbole de l’atome est connu alors le tableau périodique permet de trouver le numéro atomique Z ainsi que le nombre de nucléons A:

Remarque

On peut aussi déduire:

  • Z à partir de la charge Q du noyau avec la relation Z = Q/e ( “e” est la valeur de charge élémentaire)
  • Z à partir de la charge Q’ du nuage électronique avec Z = -Q/e
  • A à partir de la masse m du noyau avec A = m/mn (où mn est la masse d’un nucléon)

Symboles atomiques

Chaque élément chimique est associé à un symbole toujours constitué:

  • d’au moins une lettre majuscule
  • éventuellement suivie d’une lettre minuscule

Remarques

  • Il est nécessaire de respecter ces conventions d’écriture. Par exemple le symbole du cuivre est Cu, s’il est écrit entièrement en majuscule on obtient alors la notation CU qui ne désigne plus du cuivre mais l’association plutôt improbable d’un élément carbone (C) et d’un élément uranium (U).
  • Le lettre majuscule est souvent la première du nom de l’atome mais pas nécessairement celle du nom français. Exemple c’est à partir du nom latin “aurum” qu’à été formé le symbole atomique de l’or (Au).

Il existe une centaine d’éléments différents et autant de symboles atomiques, il n’est pas nécessaire de les connaître tous mais il est quand même demandé de retenir les plus courants

Les atomes présents dans les matières organiques
Hydrogène H
Oxygène O
Carbone C
Azote N
Soufre S
Chlore Cl
Métaux
Fer Fe
Cuivre Cu
Zinc Zn
Argent Ag
Or Au
Aluminium Al
Les halogènes
Fluor F
Chlore Cl
Brome Br
Iode  I
Les gaz rares
Hélium He
Néon Ne
Argon Ar
Autres
Sodium  Na
Magnésium  Mg
Calcium Ca

Isotopes

Deux atomes sont qualifiés d’isotope à condition de posséder dans leur noyau le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différents.

Ils correspondent au même élément chimique, possèdent les mêmes propriétés

Les transformations de l’atome

Un atome peut subir deux types de transformations: chimique ou nucléaire

Les transformations chimiques

Qu’un atome soit isolé (sous forme de corps pur monoatomique) ou qu’il fasse partie d’une molécule, une transformation chimique peut provoquer:

  • une modification du nombre ou de la nature des liaisons covalentes auxquelles il participe.
  • une variation (perte ou gain) du nombre d’électrons.

Dans chacun de ces cas c’est la structure électronique qui est affectée par contre le noyau n’est jamais modifié par une transformation chimique.

Les transformations nucléaires

Ces transformations affectent le noyau des atomes, le nombre et la nature des nucléons peut varier et les énergies mises en jeu sont nettement plus élevées que celles des transformations chimiques.

L’énergie atomique

L’énergie atomique aussi appelée énergie nucléaire désigne l’énergie que possède le noyau de l’atome (nucléaire dérive du latin “nucleus” qui signifie “noyau”). Cette énergie est échangée lors des transformations nucléaires, elle peut être exploitée:

  • pour conduire à une réaction en chaîne non maîtrisée et rapide se traduisant par une violent explosion (bombe nucléaire).
  • pour produire de l’énergie électrique grâce à la fission nucléaire maîtrisée (dans les centrales nucléaires)

C’est aussi l’énergie qui alimente le Soleil et les autres étoiles grâce au phénomène de fusion nucléaire.

Quelle est l’origine des atomes ?

D’après la théorie du Big Bang l’Univers primitif ne contenait pas de matière mais uniquement de l’énergie. C’est cette énergie qui a permis la formation des premières particules telles que les électrons, les protons et les neutrons, en effet Albert Einstein a démontré à partir de sa célèbre équation E = mc2 qu’il est existe une équivalence entre énergie et matière:
– une masse “m” de matière peut être convertie en une forme d’énergie de valeur E (avec E = mc2)
– mais l’inverse est aussi vrai, une énergie de valeur E peut former une masse “m” de matière telle que m = E/c2.
L’Univers était alors assez dense et chaud pour les premiers nucléons fusionnent afin de former des noyaux atomiques plus importants donnant ainsi naissance aux éléments les plus légers: principalement l’hydrogène, l’hélium, le lithium, le béryllium, le bore.

Les éléments plus lourds se sont ensuite formés, toujours par fusion nucléaire, au sein des étoiles, soit pendant leur cycle de vie soit lors de leur phase explosive (supernova).