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Atome : noyau, électrons et neutralité
L’histoire du modèle de l’atome, de Démocrite à Rutherford et Chadwick, et l’expérience de la feuille d’or ; le noyau (protons et neutrons) et les électrons, leurs charges et leurs masses ; le numéro atomique Z, qui définit l’élément, et la neutralité de l’atome ; la masse d’un atome et le nombre d’atomes d’un objet en puissances de dix
À propos de cette page
Histoire du modèle : un atome fait surtout de vide
• Ve siècle av. J.-C. — le philosophe grec Démocrite imagine que la matière est faite de grains qu’on ne peut pas couper : les atomes (du grec atomos, « insécable »). C’est une idée, sans expérience.
• Début du XIXe siècle — Dalton, à partir de mesures de masses lors des transformations chimiques, décrit les atomes comme de petites boules pleines, différentes pour chaque élément.
• 1897 — Thomson découvre l’électron, une particule de charge négative, bien plus légère qu’un atome : l’atome n’est donc pas insécable. En 1904, il propose un atome en boule de charge positive dans laquelle les électrons sont dispersés.
• 1909-1911 — dans le laboratoire de Rutherford, Geiger et Marsden envoient des particules alpha (chargées positivement) sur une très fine feuille d’or. Presque toutes la traversent sans être déviées ; de très rares sont renvoyées vers l’arrière. Rutherford en conclut en 1911 que presque toute la masse et toute la charge positive de l’atome sont concentrées dans un noyau minuscule, au centre ; les électrons se déplacent autour, dans un espace presque vide. La matière est lacunaire : faite surtout de vide.
• 1932 — Chadwick découvre le neutron, une particule du noyau sans charge électrique.
Trois modèles successifs de l’atome. Dans le modèle de Rutherford, le noyau est en réalité bien plus petit que sur le dessin.
L’expérience de la feuille d’or (schéma). Avec l’or, environ une particule alpha sur 20 000 est renvoyée vers l’arrière (chiffre cité par Rutherford en 1911).
Rappel de 4e : le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l’atome (Organisation de la matière dans l’Univers). Si l’atome avait la taille d’un terrain de football, le noyau serait une graine posée au centre.
Une particule traverse tout droit. Elle est passée loin de tout noyau : elle n’a rencontré que du vide et des électrons, trop légers pour la dévier (une particule alpha est environ 7 300 fois plus lourde qu’un électron).
Une particule est renvoyée vers l’arrière. Elle est arrivée presque droit sur un noyau. Deux charges positives se repoussent, et le noyau, très lourd, ne bouge presque pas : la particule rebondit. Ces rebonds sont très rares : la cible, le noyau, est donc minuscule.
Pourquoi le modèle de Thomson est abandonné. Dans une boule où la charge positive est étalée partout, la répulsion est trop faible pour renvoyer une particule alpha en arrière : toutes seraient à peine déviées. Les rebonds observés obligent à changer de modèle.
Réflexe — pour une expérience historique, je relie chaque observation à ce qu’elle prouve : « traverse tout droit » → beaucoup de vide ; « rebondit » → un noyau minuscule, lourd et positif.
Attention — « vide » ne veut pas dire que l’on peut passer la main à travers une table : les électrons occupent tout l’espace de l’atome, et ceux de la main repoussent ceux de la table. Les électrons ne sont pas non plus de petites planètes sur des orbites : le dessin est un modèle, pas une photo. Et ce n’est pas Rutherford qui a découvert l’électron (Thomson) ni le neutron (Chadwick).
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Le noyau et les électrons : charges et masses
• Le noyau contient des protons, de charge positive, et des neutrons, sans charge électrique. Protons et neutrons sont les nucléons.
• L’électron porte une charge négative, opposée à celle du proton. Cette charge s’appelle la charge élémentaire e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C (le coulomb, C, est l’unité de charge électrique). Proton : +e ; électron : −e ; neutron : 0.
• Le proton et le neutron ont presque la même masse, environ 1,67 × 10⁻²⁷ kg. L’électron est bien plus léger : 9,1 × 10⁻³¹ kg, environ 1 800 fois moins qu’un nucléon. Presque toute la masse de l’atome est donc dans son noyau.
| Particule | Où ? | Charge | Masse |
|---|---|---|---|
| proton | dans le noyau | +e = +1,6 × 10⁻¹⁹ C | 1,67 × 10⁻²⁷ kg |
| neutron | dans le noyau | 0 | 1,67 × 10⁻²⁷ kg |
| électron | autour du noyau | −e = −1,6 × 10⁻¹⁹ C | 9,1 × 10⁻³¹ kg |
Un atome de lithium : 3 protons et 4 neutrons dans le noyau, 3 électrons autour.
Compter les nucléons. Le noyau du lithium dessiné contient 3 protons et 4 neutrons : 3 + 4 = 7 nucléons.
Charge du noyau. Seuls les protons sont chargés : 3 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 4,8 × 10⁻¹⁹ C. Les 4 neutrons n’ajoutent rien.
Comparer les masses. 1,67 × 10⁻²⁷ ÷ (9,1 × 10⁻³¹) = (1,67 ÷ 9,1) × 10⁴ ≈ 0,1835 × 10⁴ ≈ 1 835 : un nucléon est environ 1 800 fois plus lourd qu’un électron (1 836 avec des valeurs plus précises).
Électrons et courant électrique dans un métal
Dans un métal, certains électrons ne restent pas attachés à un atome : ils peuvent passer d’un atome à l’autre. Ce sont des électrons libres. Quand un courant électrique parcourt un fil de métal, ces électrons libres se déplacent tous ensemble le long du fil ; les noyaux, eux, restent en place. C’est pourquoi les métaux sont de bons conducteurs (vu en 5e sans explication).
Réflexe — protons +, neutrons 0, électrons − ; protons et neutrons dans le noyau, électrons autour ; pour une charge, je ne compte que les particules chargées ; pour une masse, je compte les nucléons.
Attention — le neutron n’est pas négatif : il n’a pas de charge. L’électron n’est jamais dans le noyau. Et ne confonds pas 1,6 × 10⁻¹⁹, une charge en coulombs, avec 1,67 × 10⁻²⁷, une masse en kilogrammes.
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Numéro atomique Z et neutralité de l’atome
• Un atome est électriquement neutre : il a autant d’électrons que de protons, soit Z électrons. La charge du noyau, +Z × e, compense exactement celle des électrons, −Z × e : la charge totale est nulle.
• Le nombre de nucléons se note A. Le nombre de neutrons est donc A − Z. Il n’est pas toujours égal au nombre de protons.
• Décrire un atome, c’est donner son nombre de protons (Z), de neutrons (A − Z) et d’électrons (Z).
| Atome (le plus courant) | Z = protons | A = nucléons | Neutrons A − Z | Électrons |
|---|---|---|---|---|
| hydrogène H | 1 | 1 | 0 | 1 |
| carbone C | 6 | 12 | 6 | 6 |
| oxygène O | 8 | 16 | 8 | 8 |
| sodium Na | 11 | 23 | 12 | 11 |
| fer Fe | 26 | 56 | 30 | 26 |
Décrire un atome. Un atome a 13 protons et 14 neutrons. Z = 13 : c’est un atome d’aluminium. Il a 13 + 14 = 27 nucléons et, comme il est neutre, 13 électrons.
Trouver les neutrons. L’atome de sodium le plus courant a 23 nucléons et Z = 11 : 23 − 11 = 12 neutrons, un de plus que de protons.
Vérifier la neutralité. Silicium, Z = 14. Noyau : 14 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 22,4 × 10⁻¹⁹ = 2,24 × 10⁻¹⁸ C. Électrons : 14 × (−1,6 × 10⁻¹⁹) = −2,24 × 10⁻¹⁸ C. Total : 0 C, l’atome est neutre.
Réflexe — Z → protons → électrons (autant, car l’atome est neutre) ; nucléons − Z → neutrons.
Attention — Z ne dit rien du nombre de neutrons : il faut connaître le nombre de nucléons. Ne confonds pas nucléons (protons + neutrons) et neutrons. Enfin, une particule qui a perdu ou gagné des électrons n’est plus neutre : ce n’est plus un atome mais un ion, et son noyau garde ses Z protons (chapitre Ions).
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Masse d’un atome et nombre d’atomes : les puissances de dix
• Un échantillon fait d’un seul élément contient un nombre énorme d’atomes : nombre d’atomes = masse de l’échantillon ÷ masse d’un atome, les deux masses dans la même unité (kg).
• On calcule avec les puissances de dix : 10ᵃ × 10ᵇ = 10ᵃ⁺ᵇ et 10ᵃ ÷ 10ᵇ = 10ᵃ⁻ᵇ ; on donne le résultat en notation scientifique a × 10ⁿ, avec 1 ≤ a < 10 (La notation scientifique, 4e).
• Presque toute la masse est dans le noyau, environ 100 000 fois plus petit que l’atome : la matière du noyau est extraordinairement dense.
Masse d’un atome. Carbone, 12 nucléons : 12 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 20,04 × 10⁻²⁷ = 2,004 × 10⁻²⁶ kg ≈ 2,0 × 10⁻²⁶ kg.
Les électrons comptent peu. Ses 6 électrons : 6 × 9,1 × 10⁻³¹ = 54,6 × 10⁻³¹ = 5,46 × 10⁻³⁰ kg. Rapport : 5,46 × 10⁻³⁰ ÷ (2,004 × 10⁻²⁶) ≈ 2,7 × 10⁻⁴, soit environ 0,03 % de la masse.
Nombre d’atomes. Un diamant de 0,2 g (un carat) est fait seulement d’atomes de carbone. 0,2 g = 2 × 10⁻⁴ kg. 2 × 10⁻⁴ ÷ (2,0 × 10⁻²⁶) = 1 × 10⁻⁴⁺²⁶ = 1 × 10²² atomes : dix mille milliards de milliards.
Réflexe — je convertis en kg, je calcule d’abord avec les nombres devant, puis avec les puissances de 10, et je termine en notation scientifique.
Attention — 0,2 g n’est pas 0,2 kg : on divise par 1 000 (× 10⁻³). Pour remettre 20,04 × 10⁻²⁷ en notation scientifique, la virgule recule d’un rang et l’exposant augmente de 1 : 2,004 × 10⁻²⁶, pas 10⁻²⁸. On peut négliger les électrons pour la masse, jamais pour la charge.
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Pour aller plus loin
Revoir. Atomes, molécules et symboles : Atomes et molécules (5e). Les tailles de l’atome (environ 10⁻¹⁰ m) et du noyau (environ 10⁻¹⁵ m) en puissances de 10 : Organisation de la matière dans l’Univers (4e).
Dans les autres chapitres de 3e. Un atome qui perd ou gagne des électrons devient un ion (Na⁺, Cl⁻…), ce qui explique les solutions qui conduisent le courant : Ions : cations, anions et tests d’identification. Les éléments rangés par numéro atomique croissant : Tableau périodique : éléments, périodes et familles.
Pour aller plus loin — les isotopes. Des atomes d’un même élément (même Z) peuvent avoir des nombres de neutrons différents : ce sont des isotopes. Le carbone 12 a 6 neutrons, le carbone 14 en a 8 ; ils réagissent chimiquement de la même façon, car la chimie dépend des électrons. Le carbone 14, radioactif, sert à dater des restes d’êtres vivants.
Se verra en 2de. L’écriture d’un noyau sous la forme AZX (par exemple 126C), les isotopes en détail et la répartition des électrons en couches, qui explique pourquoi certains atomes forment des ions.
- Le modèle de l’atome a changé avec les expériences : Démocrite (idée d’atome), Dalton (boules pleines), Thomson (électron, 1897), Rutherford (noyau, 1911), Chadwick (neutron, 1932). L’expérience de la feuille d’or montre que l’atome est surtout fait de vide.
- Un atome = un noyau (protons +, neutrons sans charge, appelés nucléons) et des électrons (−) autour. Charge élémentaire e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.
- Nucléon : 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; électron : 9,1 × 10⁻³¹ kg, environ 1 800 fois plus léger. Dans un métal, le courant est un déplacement d’électrons libres.
- Z = nombre de protons : il définit l’élément. Un atome est neutre : Z électrons. Neutrons = A − Z.
- Masse d’un atome ≈ A × 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; nombre d’atomes d’un échantillon = sa masse ÷ masse d’un atome.
Questions fréquentes
Qu’a montré l’expérience de la feuille d’or de Rutherford ?
Presque toutes les particules alpha envoyées sur une fine feuille d’or la traversent sans être déviées, et de très rares sont renvoyées vers l’arrière. Rutherford en conclut en 1911 que l’atome est surtout fait de vide, avec au centre un noyau minuscule, positif, qui porte presque toute la masse.
De quoi est fait un atome ?
D’un noyau, formé de protons (charge positive) et de neutrons (sans charge), appelés nucléons, et d’électrons (charge négative) qui se déplacent autour. Un proton porte +e et un électron −e, avec e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.
Pourquoi la masse d’un atome est-elle dans son noyau ?
Un proton ou un neutron pèse environ 1,67 × 10⁻²⁷ kg, un électron 9,1 × 10⁻³¹ kg, soit environ 1 800 fois moins. Les électrons comptent pour moins d’un millième de la masse de l’atome.
Qu’est-ce que le numéro atomique Z ?
C’est le nombre de protons du noyau. Il définit l’élément chimique : tout atome à 8 protons est de l’oxygène. Un atome étant neutre, il a aussi Z électrons ; ses neutrons se calculent par A − Z, où A est le nombre de nucléons.
Comment calculer la masse d’un atome et le nombre d’atomes d’un objet ?
La masse d’un atome vaut environ A × 1,67 × 10⁻²⁷ kg. Pour un objet fait d’un seul élément, nombre d’atomes = masse de l’objet en kg ÷ masse d’un atome : on trouve des nombres de l’ordre de 10²² atomes pour un gramme.
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