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

Cinq problèmes corrigés pas à pas : une frise des découvertes sur l’atome, la carte d’identité d’un atome de chlore, la masse de l’atome de calcium partagée entre noyau et électrons, les atomes et les électrons d’une pièce en argent, et un métal inconnu identifié par sa masse et sa charge.

5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je relève les données : nombres de particules, masses (kg ou g), charges (C), numéros atomiques.
Je choisis la relation : protons = Z, électrons = Z, neutrons = A − Z, charge = nombre de protons × e, masse ≈ A × 1,67 × 10⁻²⁷ kg.
Je convertis les grammes en kilogrammes avant de diviser des masses.
Je calcule avec les puissances de dix et je donne le résultat en notation scientifique, avec l’unité.
Je conclus par une phrase, en vérifiant l’ordre de grandeur (un atome pèse entre 10⁻²⁷ et 10⁻²⁴ kg).

Problème 1 · Le modèle de l’atome au fil du temps★★★Facile

Voici une frise des découvertes. Ve siècle av. J.-C. : Démocrite imagine des grains de matière insécables. Début du XIXe siècle : Dalton décrit des atomes comme de petites boules pleines. 1897 : Thomson découvre une particule de charge négative. 1904 : Thomson propose un atome en boule positive parsemée de ces particules. 1911 : après l’expérience de la feuille d’or, Rutherford propose un noyau minuscule et positif. 1932 : Chadwick découvre une particule sans charge, dans le noyau.

1. Quelle particule a été découverte en premier ? L’
La particule de charge négative découverte en 1897 est l’électron.
2. Combien d’années séparent la découverte de l’électron de celle du neutron ? ans
1932 − 1897 = 35 ans.
3. Après 1897, l’atome ne peut plus être « insécable » : il contient des .
Thomson montre que l’atome contient des électrons : il est fait de particules plus petites que lui.
4. Quel modèle l’expérience de la feuille d’or a-t-elle remplacé ? Celui de
La boule positive de Thomson ne pouvait pas renvoyer de particule en arrière.
5. Quelle particule manquait encore au modèle de Rutherford de 1911 ? Le
Le neutron n’est découvert qu’en 1932, par Chadwick.

Problème 2 · La carte d’identité d’un atome★★★Facile

Un atome possède 17 électrons et 35 nucléons. Données : numéros atomiques soufre 16, chlore 17, argon 18 ; e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.

1. Nombre de protons :
Un atome est neutre : autant de protons que d’électrons, 17.
2. Cet atome est un atome de .
Z = 17 : c’est le chlore.
3. Nombre de neutrons :
35 − 17 = 18 neutrons.
4. Charge du noyau : × 10⁻¹⁸ C
17 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 27,2 × 10⁻¹⁹ = 2,72 × 10⁻¹⁸ C.
5. Charge totale des électrons : × 10⁻¹⁸ C
Même valeur, signe opposé : −2,72 × 10⁻¹⁸ C ; l’atome est neutre.

Problème 3 · Où se trouve la masse de l’atome de calcium ?★★★Moyen

Un atome de calcium contient 20 protons, 20 neutrons et 20 électrons. Données : masse d’un nucléon 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; masse d’un électron 9,1 × 10⁻³¹ kg.

1. Masse du noyau : × 10⁻²⁶ kg
40 nucléons : 40 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 66,8 × 10⁻²⁷ = 6,68 × 10⁻²⁶ kg.
2. Masse des 20 électrons : × 10⁻²⁹ kg
20 × 9,1 × 10⁻³¹ = 182 × 10⁻³¹ = 1,82 × 10⁻²⁹ kg.
3. Le noyau est environ fois plus lourd que l’ensemble des électrons (arrondi à la centaine).
6,68 × 10⁻²⁶ ÷ (1,82 × 10⁻²⁹) ≈ 3,67 × 10³ ≈ 3 700.
4. Masse de l’atome, avec deux chiffres significatifs : × 10⁻²⁶ kg
6,68 × 10⁻²⁶ + 0,001 82 × 10⁻²⁶ ≈ 6,7 × 10⁻²⁶ kg : les électrons ne changent rien à ce résultat.

Problème 4 · Une pièce de collection en argent pur★★★Difficile

Une pièce en argent pur a une masse de 8,9 g. Chaque atome d’argent contient 47 protons et 60 neutrons. Données : masse d’un nucléon 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.

1. Masse d’un atome d’argent (arrondie au centième) : × 10⁻²⁵ kg
107 nucléons : 107 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 178,69 × 10⁻²⁷ ≈ 1,79 × 10⁻²⁵ kg.
2. Nombre d’atomes dans la pièce (un chiffre significatif) : × 10²²
8,9 × 10⁻³ ÷ (1,79 × 10⁻²⁵) ≈ 4,97 × 10²² ≈ 5 × 10²² atomes.
3. Nombre total d’électrons : × 10²⁴
Chaque atome neutre a 47 électrons : 47 × 5 × 10²² = 235 × 10²² = 2,35 × 10²⁴ électrons.
4. Charge totale de ces électrons : × 10⁵ C
−2,35 × 10²⁴ × 1,6 × 10⁻¹⁹ = −3,76 × 10⁵ C : une charge énorme.
5. La pièce n’est pourtant pas chargée : ses portent exactement la charge opposée.
Les protons (autant que d’électrons) portent +3,76 × 10⁵ C : la pièce est neutre.

Problème 5 · Un métal inconnu★★★Difficile

Un atome d’un métal a une masse d’environ 9,7 × 10⁻²⁶ kg, et son noyau porte une charge de 4,48 × 10⁻¹⁸ C. Données : masse d’un nucléon 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C ; numéros atomiques : fer 26, cobalt 27, nickel 28, cuivre 29, zinc 30.

1. Nombre de nucléons (arrondi à l’unité) :
9,7 × 10⁻²⁶ ÷ (1,67 × 10⁻²⁷) ≈ 58,1 : 58 nucléons.
2. Nombre de protons :
4,48 × 10⁻¹⁸ ÷ (1,6 × 10⁻¹⁹) = 2,8 × 10¹ = 28 protons.
3. Ce métal est le .
Z = 28 : c’est le nickel.
4. Nombre de neutrons :
58 − 28 = 30 neutrons.

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