CHAPITRE 1 : STRUCTURE DE L’ATOME ET SES CONSTITUANTS

I - CONSTITUTION DE L’ATOME

1) Particules:
La matière qui nous entoure est constituée d’atomes, c’est la plus petite particule capable, à l’état nanométrique, de conserver les propriétés de la matière.

On dit que la matière est quantifiée, ou discontinue car l’atome est constitué de particules élémentaires : le noyau et un cortège électronique.

Le noyau a un diamètre infiniment petit 10-5nm. Il est constitué de nucléons : les protons (notés H ou p) et les neutrons (notés n). Le noyau concentre la quasi totalité de la masse de l’atome.

Représentation du noyau :
Z = nombre de protons =  masse atomique.
N = nombre de neutrons
A = nombre de nucléons = nombre de masse = Z+N.
Des isotopes ont un « Z » identique mais un « A » différent.

Masse et charge des nucléons :

m(proton) = 1,6725  10-27 Kg.		q(proton) = 1,602  10-27 C.
m(neutron) = 1,6750  10-27 Kg.		q(neutron) = 0 C.

Cas des ions :
Dans un ion, il y a perte(cation) ou gain(anion) d’électrons, mais aucune modification des protons. Ainsi, les éléments ont tous le même noyau, ce sont les électrons qui gravitent autour qui sont en nombre différent.

Symbolisation :
Pour un proton : 	11 H
Pour un neutron : 	10 n
Pour un électron :	0-1 e
Pour un photon :	00 

Energies des nucléons :	Eproton = Charge  ddp = 1uca
Eneutron = 0 uca

Nouvelles unités :

*Unité de masse atomique : 1uma = 1,66  10-27 Kg = 1/Na (en g)
(Ainsi : m(p) = 1,0074 uma et	 m(n) = 1,0089 uma)

*Unité de longueur atomique : 1ula = 0,053 nm = rayon de l’atome de Bohr.

*Unité de charge atomique : 1uca = 1,602 10-19 C.

1eV = Charge  ddp, Donc 1 eV = 1,60210-19 C.
1eV=énergie d’une particule de charge élémentaire accélérée dans un champ de potentiel 1V

Les isotopes :
Isotopes des noyaux (ou nucléides) : qui ont même Z et des A différents.
Les propriétés chimiques dépendent surtout du nombre de protons (Z), c’est pour cela que les isotopes ont des propriétés chimiques très voisines.

Lecture des symboles :
Symboles	Nombre de nucléons (A)	Nombre de protons (Z)	Nombre de neutrons (N)	Nombre d’électrons	
2311Na	23	11	23 - 11 = 12	11 (électrique neutre)	
4521Sc	45	21	24	21 (électrique neutre)	
3517Cl-	35	17	18	18 (car +1 électron)	
2412Mg2+	24	12	12	10 (car -2 électrons)	
Tous les éléments naturels sont constitués d’isotopes. Il en existe 3 en moyenne par élément.  109 éléments dans le tableau,  donc 300 isotopes stables connus.

Masse atomique :
Masse atomique(Z) d’un élément = Moyenne des masses atomiques (Z) de tous les isotopes connus en tenant compte du pourcentage de leur présence dans l’atmosphère par rapport à l’ensemble des isotopes.

Exemple de l’oxygène :
Isotopes de l’oxygène	Masse de l’isotope	Pourcentage d’existence dans l’atmosphère	
168O	15,9949 uma	99,76 %	
178O	16,9991 uma	0,04 %	
188O	17,9991 uma	0,20 %	

Ainsi, la masse atomique de l’atome d’oxygène est :
m = 15,9949  99,76% + 16,9991  0,04% + 17,9991  0,20 %
m = 15,9993 uma

Les électrons :
mélectron = me = 0,911  10-30 Kg on a donc mp  mn = 1800 me.
qe = -qp = 1,602 10-19 C
2) Stabilité du noyau :
On peut représenter le noyau par une sphère de 10-5 nm de diamètre alors que celle de l’atome (noyau + cortège électronique) peut être représentée par une sphère de 10-10 nm.
L’atome est donc principalement constitué de vide et toute la masse est concentrée dans un volume infiniment petit.
Pourquoi un tel système est stable ?
Quand deux charges sont en présence,  des forces d’attraction et de répulsion, ce sont les forces Coulombienne, définies par la loi :

Fab = (1/(40)  ((q1 q2)/d²)
avec (1/(40) = 9109
F dépend de la distance (d) et des charges (q1 q2) de a et b.
Si F négative, les charges se repoussent, sinon elles s’attirent.
Cependant,  d’autres forces sinon, les électrons (-) s’écraseraient sur le noyau (+).
Ces forces sont indépendantes de la charge des particules et existent qu’à très courte distance, elles s’exercent sur des dimensions de l’ordre du noyau :

3) Energie de liaison et de cohésion des noyaux :

L’énergie de liaison (E):
Energie nécessaire à la formation d’un noyau quelconque à partir de particule.
On considère la réaction :        	Z + N  AZX + E	

E=mc  Si E<0, noyau est stable.

Généralisation : La formation d’un atome nécessite une énergie négative (l’énergie d’un atome est inférieure à la somme de celles de ces constituants indépendants)

L’énergie de cohésion (B):
Energie nécessaire à la destruction d’un noyau :  	AZX + B  Z + N	
Cette énergie est positive et on peut écrire : B = - E
						
Théorie de la relativité (Equation d’EINSTEIN) :
Les notions de masse et d’énergie reste toujours en adéquation :
Disparition de masse  Ajout d’énergie
Disparition d’ énergie  Ajout de masse.
D’où E = mc²	(avec c = célérité de la lumière)
Dans les réactions classiques, l’énergie libérée ou nécessaire à la transformation est très faible, il n’y a donc pas de variation de masse notable.
Dans les réactions nucléaires, les énergies sont considérables et m devient mesurable.
Variations de masse :
Lorsque l’on crée un noyau, m est négative, m= disparition de masse = défaut de masse.
m = mnoyau – (Z mp + Nmn)

§Exemple du Deutérium (21D), isotope de l’hydrogène : On donne : 
m(n) = 1,008665uma		m(p) = 1,007277uma		m(noyau) = 2,014102 uma
Réaction : 1p + 1n  D
m = mnoyau – (mp + mn) = -0,00184 uma
On transforme les uma en kg et on utilise E = mc².On trouve donc :
E = -2,710-13 J	(Energie de liaison)
B = -E = 2,710-13 J	(Energie de cohésion )
§Autre méthode, calculer la constante avec E=mc² que 1 uma = 931,5 MeV, on multiplie par le nombre de uma de m et on obtient l’énergie de liaison en MeV :
Exemple du Fer (5626Fe) : (mFe=55,935 uma)
Réaction: 26p + 30n  5626Fe
m = mFe – (26mp + 30mn) = -0.514 uma

E=-0.514  931.5 uma = -  478.79 MeV (Energie de liaison)	(1 uma = 931,5 MeV)

4) Energie de cohésion par nucléon :

L’énergie de cohésion B est fonction du nombre de nucléons (A) du noyau, plus ce nombre est grand, plus l’énergie de cohésion est grande, et donc plus le noyau est stable.
Pour connaître la stabilité d’un noyau, on calcule le rapport (énergie de cohésion)/(nombre de molécules (A) soit B/A)
Exemple de stabilité de différents noyaux: Plus le rapport B/A est grand, plus le noyau est stable.
Atomes	Stabilité du B/A	
73Li	5,37 MeV	
168O	7,72 MeV	
5626Fe	8,55 MeV	
23592U	7,39 MeV	
Les noyaux les moins stables vont tendrent vers un état plus stable grâce à des réactions nucléaires :

Réaction nucléaire : 
Pour une réaction quelconque du type : A1Z1X1 + A2Z2X2  A3Z3X3 + A4Z4X4 ,
il y a conservation du nombre de protons et de neutrons, donc :
A1 + A2 = A3 + A4		et	Z1 + Z2 = Z3 + Z4

Exercices typiques :
On donne : - La formule de fission ou de fusion.
- Les masses en uma de tous les éléments présents dans l’équation.
* On calcule alors la variation de masse (m) entre l’état initial et l’état final :
(on rappelle que dégagement d’énergie = perte de masse)
Pour cela, on compte en positif la masse de tous les produits et en négatif celle des réactifs.
(leur masse “disparaît”, celle des autres “apparaît”)
* On calcule ensuite l’énergie en multipliant la variation obtenue par 931,5
(car 1uma = 931,5 MeV)
On obtient un résultat en MeV.
* On peut passer de uma à g puis à MeV.g-1. On peut aussi convertir les MeV (ou eV) en J....
1er Exemple : Calculons l’énergie lors de la fusion d’un hydrogène et d’un tritium :
(principe de la bombe H ). La réaction est :

11H + 31T  42He + E

Calculons la variation de masse : m= mnoyau - mparticules = 0,0211 uma
Calculons l’énergie dégagée pour chaque atome :
E = -0.0211  931,5 = -19,65 MeV

2ème Exemple : Calculons l’énergie lors de la fission d’un atome d’uranium :
(principe de la bombe A). La réaction est :

 23592U + 10n  13251Sb + 10141Nb + 310n + E

Il s’agit d’une réaction en chaîne : un atome d’uranium réagit avec 1 neutron, et en propulse 3 qui vont pouvoir réagir avec 3 atomes d’uranium...
On donne : 
masse de l’uranium: 235,044 uma		masse de l’antimoine (Sb) : 131,885 uma
masse du nuobium (Nb) : 100,911 uma	masse d’un neutron : 1,008665 uma
Calculons la variation de masse : m = mSb + mNb +3mn – mU – mn = -0.23 uma
Calculons l’énergie dégagée pour chaque atome :
E = -0.23  931,5 = -214,2 MeV
(Rappel : 1 uma =1,6610-24g ).
Donc, E = -214,2 / (233,0441,6610-24) = -5,4881023 MeV.g-1
Energie d’un système stable < Energie d’un système instable, par conséquent, lors d’une fusion ou d’une fission, il y a libération d’énergie.				

II - LA MASSE ATOMIQUE :

On appelle masse atomique la masse d’un atome. Cependant, on ne peut pas isoler un atome seul pour le peser. Donc, par convention :
1mat = masse d’une molécule de C12 = 12 uma

La masse d’un atome de carbone est donc = 1uma
1 mole de [Ar] 3s² 3p6 4s2 = 12 g
NA = nombre d’Avogadro
mat = masse atomique du carbone = 12 uma.

On retrouve donc :
1uma = 1/NA (en g)

Dans le tableau périodique, la masse atomique est sans unité :
Pour 1 atome, l’unité est la uma.
Pour 1 mole, l’unité est le g.

Exemple : D’après le tableau : MO = 15,994
Donc la masse d’un atome de O = 15,994 uma,
et la masse d’une mole de O = 15,994 g.
On peut aussi donner sa masse atomique qui est de 15,994/12 = 1,333 mat.