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L’atome
L’atome est la plus petite partie d’un élément chimique qui en conserve les propriétés. Il est formé d’un noyau très dense (protons et neutrons) entouré d’un nuage d’électrons.
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Toute la matière ordinaire, de l’air que l’on respire aux étoiles, est faite d’atomes. Un atome mesure environ un dixième de milliardième de mètre (10⁻¹⁰ m) et se compose de trois particules : des protons et des neutrons regroupés dans un noyau minuscule, et des électrons répartis autour. Le nombre de protons définit l’élément chimique : 1 pour l’hydrogène, 6 pour le carbone, 8 pour l’oxygène, 92 pour l’uranium. On connaît aujourd’hui 118 éléments, classés dans le tableau périodique.
De quoi est composé un atome ?
| Particule | Charge électrique | Masse (kg) | Masse relative | Localisation |
|---|---|---|---|---|
| Proton | +e (+1,602 × 10⁻¹⁹ C) | 1,673 × 10⁻²⁷ | ≈ 1 836 électrons | Noyau |
| Neutron | 0 | 1,675 × 10⁻²⁷ | ≈ 1 839 électrons | Noyau |
| Électron | −e | 9,109 × 10⁻³¹ | 1 | Autour du noyau |
Trois conséquences découlent de ce tableau :
- L’atome est neutre : il possède autant d’électrons que de protons. S’il en perd ou en gagne, il devient un ion (cation positif ou anion négatif).
- Presque toute la masse est dans le noyau : plus de 99,9 % de la masse d’un atome est concentrée dans les protons et les neutrons.
- L’atome est essentiellement vide : le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l’atome. Si le noyau avait la taille d’une bille de 1 cm, l’atome aurait le diamètre d’un stade (environ 1 km).
Protons et neutrons (les nucléons) ne sont pas élémentaires : chacun est formé de trois quarks liés par l’interaction forte. Le proton contient deux quarks « up » et un quark « down », le neutron un « up » et deux « down ». L’électron, lui, est une particule élémentaire : on ne lui connaît aucune structure interne.
Numéro atomique, nombre de masse et notation
Un noyau est décrit par deux nombres :
- Z, le numéro atomique : nombre de protons. Il identifie l’élément.
- A, le nombre de masse : nombre total de nucléons (protons + neutrons). Le nombre de neutrons vaut donc
N = A − Z.
On écrit le symbole de l’élément précédé de A en haut et de Z en bas, par exemple ¹²₆C pour le carbone 12.
Les isotopes
Deux atomes d’un même élément peuvent avoir un nombre de neutrons différent : ce sont des isotopes. Ils ont les mêmes propriétés chimiques (même nombre d’électrons) mais des masses différentes, et certains sont instables.
| Élément | Isotopes principaux | Remarque |
|---|---|---|
| Hydrogène | ¹H, ²H (deutérium), ³H (tritium) | Le tritium est radioactif |
| Carbone | ¹²C (≈ 98,9 %), ¹³C, ¹⁴C | Le carbone 14 sert à la datation |
| Uranium | ²³⁸U (≈ 99,3 %), ²³⁵U (≈ 0,7 %) | L’uranium 235 est fissile |
Les isotopes instables se transforment spontanément en émettant des rayonnements : c’est la radioactivité.
Les électrons : couches et nuage électronique
Les électrons ne tournent pas autour du noyau sur des orbites précises comme des planètes. La mécanique quantique les décrit par des orbitales, des zones où leur probabilité de présence est élevée. On les regroupe en couches de niveaux d’énergie croissants, notées K, L, M… (ou n = 1, 2, 3…).
| Couche | n | Nombre maximal d’électrons (2n²) |
|---|---|---|
| K | 1 | 2 |
| L | 2 | 8 |
| M | 3 | 18 |
| N | 4 | 32 |
Les électrons de la dernière couche occupée, dits électrons de valence, déterminent le comportement chimique de l’atome : sa capacité à former des liaisons chimiques et donc des molécules. Les atomes tendent à acquérir la configuration stable des gaz nobles (8 électrons externes, règle de l’octet).
Taille et masse d’un atome : les ordres de grandeur
| Grandeur | Valeur typique |
|---|---|
| Rayon d’un atome | 0,03 à 0,3 nm (10⁻¹¹ à 10⁻¹⁰ m) |
| Rayon d’un noyau | 1 à 10 femtomètres (10⁻¹⁵ à 10⁻¹⁴ m) |
| Masse d’un atome d’hydrogène | 1,67 × 10⁻²⁷ kg |
| Nombre d’atomes dans 12 g de carbone 12 | 6,022 × 10²³ (nombre d’Avogadro) |
| Nombre d’atomes dans un corps humain | environ 7 × 10²⁷ |
Pour manipuler des quantités d’atomes à notre échelle, les chimistes utilisent la mole. Pour se représenter ces écarts d’échelle, voir les ordres de grandeur.
Histoire du modèle de l’atome
L’atome est l’exemple type d’une connaissance scientifique construite par modèles successifs, chacun corrigeant le précédent à partir d’expériences (voir la méthode scientifique).
| Date | Savant | Apport |
|---|---|---|
| Ve s. av. J.-C. | Leucippe et Démocrite | Idée philosophique d’atomes insécables et de vide |
| 1808 | John Dalton | Théorie atomique moderne : chaque élément a ses atomes, de masse propre |
| 1897 | J. J. Thomson | Découverte de l’électron ; modèle du « pudding » (charges négatives dans une sphère positive) |
| 1911 | Ernest Rutherford | Expérience de la feuille d’or : l’atome a un noyau minuscule et dense |
| 1913 | Niels Bohr | Électrons sur des orbites quantifiées, explication du spectre de l’hydrogène |
| 1919 | Ernest Rutherford | Mise en évidence du proton |
| 1926 | Erwin Schrödinger | Équation d’onde : modèle quantique des orbitales |
| 1932 | James Chadwick | Découverte du neutron |
| 1964 | Gell-Mann et Zweig | Hypothèse des quarks, confirmée à la fin des années 1960 |
L’expérience de Rutherford
En bombardant une très fine feuille d’or avec des particules alpha, Hans Geiger et Ernest Marsden (sous la direction de Rutherford) constatent que presque toutes les traversent sans être déviées, mais qu’une infime fraction rebondit. Rutherford en conclut en 1911 que la charge positive et la masse sont concentrées dans un noyau minuscule, le reste de l’atome étant presque vide.
Le modèle de Bohr et ses limites
Bohr impose aux électrons des orbites d’énergie fixée ; un électron qui passe d’une orbite à une autre absorbe ou émet un photon d’énergie précise. Le modèle explique les raies du spectre de l’hydrogène, mais échoue pour les atomes à plusieurs électrons. Il est remplacé par le modèle quantique, toujours en vigueur.
Les forces qui tiennent l’atome
- L’interaction électromagnétique attire les électrons vers le noyau et assure la cohésion de l’atome.
- L’interaction forte lie les quarks entre eux et les nucléons dans le noyau, malgré la répulsion entre protons.
- L’interaction faible est responsable de certaines désintégrations radioactives (radioactivité bêta).
La gravitation, quatrième interaction fondamentale, est totalement négligeable à l’échelle atomique.
Questions fréquentes
Peut-on voir un atome ?
Pas à l’œil nu ni au microscope optique, car un atome est environ mille fois plus petit que la longueur d’onde de la lumière visible. Le microscope à effet tunnel (inventé en 1981) et certains microscopes électroniques produisent toutefois des images où chaque atome apparaît individuellement.
Quelle est la différence entre un atome et une molécule ?
L’atome est l’unité d’un élément ; une molécule est un assemblage d’au moins deux atomes liés par des liaisons covalentes, comme H₂O (deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène).
Quel est le plus petit atome ?
L’hydrogène est le plus léger (un proton, un électron). Par la taille, l’hélium est le plus petit atome : ses deux protons attirent fortement ses deux électrons.
Les atomes sont-ils éternels ?
Les atomes stables existent indéfiniment, mais les noyaux radioactifs se transforment en d’autres éléments. Les éléments ont eux-mêmes été formés : l’hydrogène et l’hélium juste après le Big Bang, les éléments plus lourds dans les étoiles et lors d’explosions stellaires.