QUELQUES RAPPELS SUR L'ATOME

Par Fontaine Didier

"C'est le constituant élémentaire de la matière. Il est formé d'un noyau - chargé positivement - autour duquel gravitent des électrons, chargés négativement."

I. Structure atomique

• Rayon de l'atome d'hydrogène: 0.529.10-10m
• Rayon du noyau d'hydrogène: 10.-15m
• Masse de l'électron: 0.911.10-30kg
• Charge de l'électron: 1.6.10-19 coulomb
• Masse du proton: 1.67.10-27kg
• Constante d'Avogadro: 6.022045.10^e23/mol
• Unité de masse atomique (u): 1.6605655.10-27kg
• Charge élémentaire (e): 10-19Coulomb
• Energie équivalente à la masse de l'électron (E_me): 0.51079MeV ou 8.18726.10-14J
• Un électron-volt (1eV): 1.6.10-10J

1. Le noyau

Le noyau est constitué de protons et de neutrons qui forment les nucléons. Quel que soit l'atome, ces composants restent les mêmes, seul leur nombre varie. Le noyau a une charge positive. En revanche, l'atome est électriquement neutre car, autour du noyau, gravitent des électrons, chargés négativement. Le nombre de nucléons ( protons + neutrons ) d'un noyau porte le nom de nombre de masse, symbolisé par A. De même le nombre de protons d'un noyau est désigné par Z, qui s'appelle le nombre de charge. Puisque l'atome est électriquement neutre, on peut dire aussi que ce nombre est aussi celui des électrons. Les neutrons qui, comme leur nom l'indique, sont de charge neutre peuvent voir leur nombre déterminé par la logique de cette soustraction: N = A - Z. On note donc l'ensemble des atomes caractéristiques par les valeurs A et Z de la sorte:



Nombre d'électrons: chiffre Z

Nombre de neutrons: N = A - Z

Nombre de protons: chiffre Z

Nombre de nucléons: chiffre A

2. Quelques subtilités

• Comment se fait-il que les noyaux atomiques soient stables, puisque par le jeu des forces électrostatiques les protons se repoussent?

Il s'agit là d'un domaine qui fait appelle à la chromodynamique quantique et on pourra dire simplement que des forces d'attraction, à ce niveau, s'exercent entre particules, à court rayon mais grande puisssance. On parle d'interaction forte, celle-ci est 10⁴⁰ plus intense que l'interaction de gravitation, qui nous cloue au sol et fait orbiter les planètes. Cette forceentre particules est interchangée par le jeu du quantum nommé gluon. C'est le porteur de la force forte qui fait partie de la famille desbosons vecteurs.

• Comment se fait-il (d'après le modèle de rutherford repris par Niels Bohr) que des électrons puissent orbiter autour du noyau, ou se tenir immobile, à la manière d'un nuage électronique sans poser de problèmes d'ordre énergétique et gravitationnel ?

Problème de terminologie: en réalité, le modèle de Bohr ne rend pas compte de la réalité imperceptible. Réfléchissons: si une charge électrique qui subit une accélération émet de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique (impossible de songer à un électron immobile, puisqu'il serait aussitôt absorbé par le noyau) comment imaginer un mouvement orbital de l'électron, qui implique une accélération constante?

II. Organisation atomique

1. Le modèle de Bohr

Hydrogène.



2. Les niveau énergétiques

L'atome n'est pas fermé sur l'extérieur: l'électron interagit. Il peut gagner ou perdre de l'énergie, et dans ce cas son niveau énergétique varie. Si c'est le cas, il change de position orbitale. On dit qu'il change de couche, on représente les couches de cette manière, par exemple pour le carbone:

Les orbites notées K et L correspondent à des niveaux énergétiques quantiques (1,2...). Pour le cas du carbone, la couche L est la couche de valence ( la dernière ). Elle comporte 4 électrons, mais n'est pas saturée, contrairement à la couche K. On donne la formule: 2n².

De fait la couche L peut acceuillir jusqu'à huit électrons, et après l'électron se positionne sur la couche M. Plus le chiffre est élevé, plus le niveau d'énergie est grand. La couche K est l'état fondamental. L'énergie d'un atome, grâce à ces couches, n'est pas constant (d'où aberrant: d'où viendrait l'énergie?). On dit qu'elle est quantifiée.