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Comment qualifie-t-on la masse atomique ?

Par Yann le 21/02/2018 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Structure de la matière > La Masse d’un Atome

Petite histoire de l’atome

Qu’est-ce qu’un atome ?

Le mot atome vient du grec « atomos » qui signifie insécable. En effet, pour les scientifiques de l’Antiquité, les atomes représentaient la plus petite unité de matière.

On sait de nos jours que l’atome n’est pas une particule élémentaire et qu’il peut donc être divisé.

L’atome est formé d’un noyau (composé de protons chargés positivement, de neutrons qui sont des particules non chargées) autour duquel gravitent des électrons qui sont des particules chargées négativement.

Le nombre d’électrons ou de protons détermine les caractéristiques physiques et chimiques de chaque atome.

Historique de l’atome

Dans l’Antiquité, la théorie d’Aristote selon laquelle la matière était formée de 4 éléments la Terre, le feu l’air et l’eau prévaut depuis des siècles.

C’est Leucippe et son disciple Démocrite (entre -460 et -370 av JC) qui expliquent que la matière est composée d’éléments indivisibles : le concept de l’atome est né.

Il faut ensuite attendre le XVIIème siècle avec le chimiste anglais Robert Boyle pour que l’étude de l’atome fasse un bond en avant. En effet, le scientifique propose que la matière est faite de substances simples appelées éléments.

Au siècle suivant, Antoine-Laurent Lavoisier édicte sa célèbre loi de la conservation de la matière « rien ne se perd, rien ne se crée, mais tout se transforme »

Au début du XIXème siècle, John Dalton fonde sa théorie atomique, qui ne remporte alors que peut de succès.

C’est Sir Joseph John Thomson qui fit faire un énorme bond dans l’histoire de l’atome, en découvrant les électrons. Le physicien anglais fut nobélisé en 1906 pour ses travaux sur la conduction de l’électricité par les gaz.

Qui à découvert les électrons ? Sir Joseph John Thomson, l’inventeur de la théorie délicieuse du plum pudding.

Le saviez-vous ? Sir Joseph John Thomson est à l’origine d’une théorie au nom savoureux « la théorie du plum pudding ». Le plum pudding est un gâteau anglais à base de fruits secs (souvent des raisins)  plus connu sous le nom de Christmas pudding.

Pour le scientifique, l’arrangement atomique était comparable à la composition du dessert : les électrons raisins étaient enfoncés dans le pain positif !

C’est Ernest Rutherford qui propose un modèle atomique très complet : il obtint d’ailleurs le pris Nobel de chimie pour ses découvertes sur la structure atomique.

Niels Bohr modifia quelque peu ce modèle et reçut lui aussi un prix Nobel (mais en physique) pour ses travaux sur la composition de l’atome.

Comment se représentait-ton l'atome ? Le modèle atomique de Bohr : un système solaire miniature.

Erwin Schrödinger appliqua ensuite les théories quantiques au modèle atomique en précisant que le nuage électronique était caractérisé par une probabilité de présence.

Caractéristiques de l’atome

L’atome n’a pas de forme propre, ses « contours » sont finalement définis par la présence du nuage électronique. Cependant, pour des facilités d’apprentissage, on schématise souvent l’atome de manière sphérique.

Taille : les atomes ont un ordre de grandeur de 10-10m. La création de microscopes à sonde locale à permis d’étudier les atomes.

Le saviez-vous ? L’atome d’hydrogène est l’atome le plus petit en taille, il possède un diamètre de 5 10-11 m. 

L’atome de radium est, quant à lui, l’atome le plus grand puisqu’il possède un rayon atomique de près de 4.3 10-10 m !

Masse : les atomes possèdent un volume et une masse très faible. On considère qu’un proton et qu’un neutron possèdent à peu près la même masse.

Charge : les électrons sont chargés négativement et possèdent une charge estimée à qe = -1,6022.10-19 C. Les protons sont quant à eux chargés positivement et possèdent un charge de 1,6022.10-19 C. Enfin les neutrons ne possèdent pas de charge (charge nulle).

Le tableau ci-après résumé les différentes caractéristiques d’un atome (masse et charge de ses constituants l’électron, le proton et le neutron) :

Charge de l'électronqe = -1,6022.10-19 C
Masse de l'électronme = 9,1095.10-31 kg
Charge du protonqp = 1,6022.10-19 C
Masse du protonmp = 1,6726.10-27 kg.
Charge du neutronqn = 0 C
Masse du neutronmn = 1,6749.10-27 kg.

Note : la science qui étude les caractéristiques de l’atome se nomme l’atomistique.

Pour estimer la masse du noyau, il faut donc connaître le nombre de nucléons. C’est un calcul approximatif mais qui donne un ordre de grandeur. On peut néanmoins utiliser une méthode plus précise pour calculer la masse d’un atome : le spectromètre de masse.

Etude de la masse d’un atome à l’aide d’un spectromètre de masse

Le spectromètre de masse est un procédé d’analyse physico-chimique par mesure de la masse des éléments.

Comment peut-on mesurer la masse des éléments ? Le spectromètre de masse, un outil performant pour mesurer la masse d’un atome.

Le spectromètre de masse a été mis au point par Joseph John Thomson. Il est composé d’une source d’ionisation qui permet de vaporiser les molécules et à les ioniser.

Les ions sont ensuite séparés en fonction de leur rapport masse/charge (m/z) dans un analyseur.

Le détecteur permet ensuite de convertir les informations en signal électrique (le courant est proportionnel au nombre d’ion) enfin le signal obtenu est amplifié et traité pour qu’il soit analysable.

Masse des constituants d’un atome

Comment a-t-on calculé la masse des nucléons et de l’électron ?

Le problème qui s’est posé aux scientifiques à été le suivant : la masse d’un atome et de ses nucléons est extrêmement faible.

Ils ont dû ainsi convenir d’une unité de masse atomique. Plusieurs atomes ont servi de gamme étalon mais c’est l’atome de carbone qui a été choisi au final.

On utilise l’unité de masse atomique unifiée (u) pour déterminer la masse des nucléons et des électrons. On appelle aussi cette unité le dalton en référence au célèbre scientifique qui étudia la théorie atomique.

Sa valeur est obtenue expérimentalement en prenant le 1/12 de la masse d’un atome 12C. Ainsi un atome de 12C possède une masse de 12u et une mole d’atome possède 12g.

Note : 1 mole d’atomes contient un nombre d’atomes égal au nombre d’Avogadro Na : 6,02. 1023 mol-1

1 u vaut approximativement 1,660 538 921 × 10−27 kg1.

En d’autres termes :

La mole est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes de carbone dans 12 grammes de carbone. Ce nombre d’atomes est le nombre d’Avogadro Na= 6,022.1023 mol-1.

Depuis les années 60, on utilise comme référence le 1/12 de la masse d’un atome de carbone. D’autres modèles ont été essayées (comme le 1/16 de l’atome d’oxygène) mais c’est celui qui perdure. Attention cette valeur étant expérimentale, elle n’apparaît pas dans le système international (SI).

Bon à savoir : Le CODATA (Comité de données pour la Science et la Technologie) recommande depuis 2006 d’utiliser cette approximation :

mu = 1.660 538 782 (83) x 10 -27 kg

Explications :

L’unité de masse atomique est donc définie par le 1/12ème de la masse de l’atome de carbone :

1u = m(atome de carbone)/12

On montre ensuite que 1u = 1/Na(nombre d’Avogadro), exprimée en g

Si on veut en kg , la relation sera la suivante : 1u = 10-3/Na = 1.6606.10-27k

Note : la masse des atomes varie approximativement entre 10-27kg et 10-25kg.

Le saviez vous ? En biologie, l’unité de masse atomique est aussi appelée dalton (du nom de John Dalton) . On l’utilise pour quantifier le poids des molécules d’intérêt biologique .Son symbole d’unité est Da mais on utilise plus fréquemment le kDa (tout simplement parce qu’en biochimie on étudie plus souvent de grosses molécules comme par exemple des protéines).

Un dalton est avec une assez bonne précision la masse d’un atome d’hydrogène, la valeur exacte étant 1,00794 uma.

Note : on peut également retrouvé une autre notion, celle de la masse relative d’un élément :

La masse atomique relative d’un élément est définie comme le rapport entre la masse moyenne d’un atome pour la composition isotopique naturelle sur le douzième de la masse d’un atome de carbone.

Etude des masses des constituants de l’atome

  • La masse d’un électron est de me = 9,1 x 10 -31 kg
  • La masse d’un proton est de 1,673 x 10-27 kg
  • La masse d’un neutron est de 1,675 x 10-27 kg

Si l’on souhaite estimer une masse avec 3 chiffres significatifs alors on peut faire l’approximation que le proton et le neutron ont une masse égale à environ 1,67 x 10 -27 kg.

Pour comparer la masse d’un nucléon et d’un électron on peut calculer le rapport de leur masse :

(1,67 x 10-27)/(9,1 x 10-31) = 1835

Un électron est près de 2000 fois plus léger qu’un nucléon: la masse d’un atome est donc concentrée dans son noyau et pour un calcul approché de masse il n’est pas nécessaire de tenir compte de la masse des électrons.

Calcul de la masse d’un atome

En tenant compte des approximations précédentes la masse d’un atome peut être calculée en négligeant les électrons et en considérant que les neutrons ont environ la même masse que les protons.

Pour calculer la masse d’un atome il suffit donc de multiplier son nombre de nucléons (A) par la masse d’un nucléon (soit 1,67 x 10-27 kg) :

Masse d’un atome = A x 1,67 x 10-27

Exemple : Calcul de la masse de l’isotope 12 du carbone.

Cet atome est constitué de 12 nucléons.

Sa masse est donc m = 12 x  1,67 x 10 -27 =  2,004  x 10 -26

La masse d’un atome de l’isotope 12 du carbone est donc de 2,004  x 10 -26 kg mol-1

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Mourad HAMDAN
Invité

Pouvez – vous me dire quelle différence fondamentale existe entre E = mc2 et E= hv ?

Clément
Editor

Bonjour Mourad,

Ces deux relations ne servent pas à calculer les mêmes choses, c’est pourquoi elles sont toutes deux utiles à connaître.

UYARRRRRRRRRRRRRRR
Invité

Très bon site! Merci de nous aider, surtout à nous rendre meilleur à chaque fois!

elena mariette josi
Invité

Totalement d’accord!!!

hasna
Invité

quelles sont les méthodes de détermination de masse atomique?

Clément
Editor

Bonjour,

Pour déterminer la masse atomique, il vous suffit de regarder dans le tableau périodique des éléments.