Le noyau de l’atome

Espèce et entité. Une espèce chimique (l’eau, le fer, le chlorure de sodium…) est une collection d’un nombre très élevé d’entités identiques. Les entités chimiques sont des atomes, des molécules ou des ions.

Atome. Entité électriquement neutre formée d’un noyau et d’électrons. Formule : un seul symbole, sans charge (Ne, Zn).

Molécule. Assemblage électriquement neutre d’atomes liés entre eux. Formule : plusieurs symboles, sans charge (O₃, CH₄, H₂O).

Ion. Entité électriquement chargée, écrite avec sa charge en haut à droite. Un cation est chargé positivement : il a perdu des électrons (Zn²⁺ en a perdu 2). Un anion est chargé négativement : il en a gagné (F⁻ en a gagné 1). Un ion est monoatomique (Zn²⁺, F⁻) ou polyatomique (SO₄²⁻, CO₃²⁻).

Électroneutralité de la matière. À notre échelle, la matière n’est pas chargée. Un solide ionique, comme une solution qui contient des ions, renferme donc des cations et des anions en proportions telles que la charge totale est nulle. La formule d’un composé ionique indique ces proportions, cation en premier et sans écrire les charges.

Le noyau. Il est formé de protons et de neutrons, appelés ensemble les nucléons. Autour du noyau se trouvent les électrons, qui forment le cortège électronique.

Numéro atomique Z : nombre de protons du noyau. Nombre de masse A : nombre de nucléons. Nombre de neutrons : N = A − Z.

Écriture conventionnelle d’un noyau : ${}_Z^{A}X$, où X est le symbole de l’élément, A en haut à gauche et Z en bas à gauche. On écrit aussi ${}^{A}X$ : Z se lit alors dans le tableau périodique, car il est fixé par le symbole.

Élément chimique. Ensemble des entités (atomes ou ions) qui ont le même numéro atomique Z. C’est Z, et lui seul, qui fait l’identité d’un noyau : tous les noyaux à 26 protons sont des noyaux de fer. L’atome Zn et l’ion Zn²⁺ relèvent du même élément, le zinc.

Charge élémentaire. $e=1,60\times {10}^{-19}$ C (coulomb) : c’est la plus petite charge électrique que l’on puisse isoler. Le proton porte la charge $+e$, l’électron la charge $-e$, le neutron n’est pas chargé (tableau).

Charge du noyau. Seuls les protons sont chargés : Q = Z × e. Inversement, Z = Q ÷ e permet d’identifier l’élément à partir de la charge du noyau.

Neutralité de l’atome. Un atome possède autant d’électrons que de protons, soit : espèce chimique et entités (atome, molécule, cation, anion) ; électroneutralité et formule d’un composé ionique ; noyau, nucléons, numéro atomique, nombre de masse, écriture conventionnelle ; élément chimique ; masse et charge du proton, du neutron et de l’électron, charge élémentaire, neutralité de l’atome ; masse d’un atome et masse de son noyau ; ordres de grandeur des tailles de l’atome et du noyau, matière lacunaire. Le cortège porte la charge $-Z\times e$, qui compense exactement celle du noyau : la charge de l’atome est nulle.

Charge d’un ion. Charge = (nombre de protons − nombre d’électrons) × e. Un cation de charge $+ke$ a Z − k électrons ; un anion de charge $-ke$ en a Z + k. Le noyau ne change pas.

Masses des constituants (tableau de la partie précédente). Le proton et le neutron ont presque la même masse ; on prend souvent pour un nucléon $m_{\text{nucléon}}\approx 1,67\times {10}^{-27}$ kg. Un nucléon est environ 1 836 fois plus lourd qu’un électron.

Masse du noyau : $m_{\text{noyau}}\approx A\times m_{\text{nucléon}}$. Masse des électrons d’un atome : $Z\times m_{\text{électron}}$.

Le noyau, siège de la masse. La masse des électrons représente moins de 0,1 % de celle de l’atome : on la néglige, et $m_{\text{atome}}\approx m_{\text{noyau}}\approx A\times m_{\text{nucléon}}$. Un ion a donc pratiquement la même masse que l’atome dont il provient.

Comparer deux grandeurs. On calcule leur quotient, en écriture scientifique : ${\displaystyle \frac{a\times {10}^n}{b\times {10}^p}}={\displaystyle \frac{a}{b}}\times {10}^{n-p}$.

Ordre de grandeur. On écrit la valeur en écriture scientifique $a\times {10}^n$ avec $1\le a\<10$. Son ordre de grandeur est la puissance de 10 la plus proche : ${10}^n$ si $a\<5$, ${10}^{n+1}$ si $a\ge 5$. (Certains manuels comparent $a$ à 3,16 au lieu de 5 : les deux règles ne diffèrent que pour $a$ entre 3,16 et 5.)

Tailles à connaître. Le rayon d’un atome est de l’ordre de ${10}^{-10}$ m (0,1 nm) ; celui d’un noyau de l’ordre de ${10}^{-15}$ m (de ${10}^{-15}$ à ${10}^{-14}$ m selon le noyau). L’atome est donc ${10}^4$ à ${10}^5$ fois plus grand que son noyau.

Matière lacunaire. Le noyau, minuscule, contient presque toute la masse ; les électrons, très légers, occupent le reste de l’atome. L’atome, et donc la matière, est fait surtout de vide : on dit que la matière est lacunaire. C’est ce qu’a montré l’expérience de la feuille d’or (Rutherford, 1909-1911), vue en 3^e.

Changer d’échelle. Dans une maquette, toutes les longueurs sont multipliées par le même nombre : si le noyau est agrandi, le rayon de l’atome l’est dans le même rapport. Pour des sphères, le rapport des volumes est le cube du rapport des rayons.