Tout savoir sur le noyau atomique

Organisation de la matière et de l'atome

Constitution de la matière

Que ce soit la matière vivante ou la matière inerte, tout ce qui est matériel est constitué d’atomes. Les molécules qui composent la matière sont elles-mêmes composées d’atomes.

L’atome est l’élément de base de la matière.

Par exemple, une molécule de dioxyde de carbone (CO2) est constituée d’un atome de carbone et de deux atomes d’oxygène.

A quoi ressemblent les différentes échelles de la matière? Les différentes échelles de la matière : des bulles au noyau atomique

Note : le mot « atome » vient du grec ancien atomos qui signifiait « insécable », c’est-à-dire « qu’on ne peut pas couper ». Toutefois, la science est aujourd’hui capable de casser les noyaux des atomes et cela libère beaucoup d’énergie : c’est le principe de l’énergie nucléaire.

Constitution de l’atome

Un atome est composé du noyau d’une part, et du nuage électronique (l’ensemble des électrons) d’autre part. Les électrons se déplacent autour du noyau. Entre le noyau et les électrons, il y a du vide, beaucoup de vide ! C’est pour cela qu’on dit que la matière est lacunaire. Ce modèle d’atome date de 1932 avec la découverte du neutron qui s’est ajouté aux connaissances apportées en 1911 par Ernest Rutherford.

Comment se compose le noyau atomique et qu'y a-t-il autour du noyau de l'atome ? La constitution du noyau atomique et du nuage électronique

Note : on représente très souvent l’atome avec la trajectoire des électrons (traits gris) mais ce ne sont pas des éléments de l’atome à proprement parler. Cela permet seulement d’imaginer le déplacement des électrons autour du noyau. On considère que les électrons sont en mouvement dans ce qu’on appelle la sphère atomique.

Constitution du noyau de l’atome

Le noyau de l’atome, aussi appelé noyau atomique a la forme d’une sphère. Il est uniquement composé de protons et de neutrons. Ces éléments ont été définis comme étant des particules élémentaires, ce qui signifie qu’on ne savait pas de quoi elles se composaient. Note : En réalité, on sait aujourd’hui que ces particules élémentaires sont composées de quarks par exemple.

Les protons et les neutrons sont des nucléons.

Ainsi, lorsqu’on parle de nucléon, il peut s’agir de protons, ou de neutrons, ou des deux. En revanche, il ne faut pas confondre les protons avec les neutrons, qui désignent des particules élémentaires différentes.

De quoi se compose la noyau atomique? De quoi se compose le noyau atomique ?

Tous les atomes ne font pas la même taille, mais de manière générale, le diamètre de l’atome est de l’ordre de 10-10 m, ce qui correspond à 1 Å. Le noyau de l’atome fait quant à lui environ 10-15 m, ce qui correspond à 1 fm. Le noyau est ainsi 100 000 fois plus petit que l’atome entier. Note : En changeant d’échelle, on peut imaginer qu’un atome dont le diamètre ferait 1 km aurait un noyau dont le diamètre mesurerait 1 cm seulement ! Autre échelle : si le noyau faisait la taille d’un petit pois, l’atome aurait un diamètre de 200 m !

Liaison des protons et des neutrons : cohésion du noyau atomique

Les protons sont tous chargés positivement, ils devraient donc se repousser les uns les autres. Les protons restent en fait assemblés au sein du noyau avec les neutrons grâce à l’énergie nucléaire, aussi appelée force nucléaire. On dit aussi que la liaison nucléaire permet la cohésion du noyau de l’atome.

Plus couramment, on appelle la force nucléaire l’interaction forte.

Note : le terme nucléaire provient de nucleus qui signifie noyau.

Lien entre le noyau et les électrons : cohésion de l’atome

Cette fois-ci, c’est l’interaction électromagnétique entre le noyau et les électrons qui est responsable des mouvements des électrons autour du noyau d’un atome. Cette force agit sur tous les éléments qui ont une charge électrique. Cette force peut être répulsive entre deux éléments de charges identiques (positif et positif, ou négatif et négatif) ou attractive entre deux éléments de charges opposées (positif et négatif). On dit que l’interaction électromagnétique est responsable de la cohésion des atomes, c’est-à-dire de la cohésion entre le noyau et les électrons.

Superprof

Caractéristiques de l'atome

Caractéristiques des composants de l’atome et de son noyau

Les protons sont chargés positivement, tandis que les électrons sont chargés négativement. Les neutrons sont électriquement neutres, comme leur nom l’indique.

Particule élémentaireTailleChargeMasse
Proton0,84 fm de rayone = +1,6.10-19 Cmp = 1,673.10-27 kg
Neutroninconnu, de l'ordre du fme = 0 Cmp = 1,673.10-27 kg
Electroninconnu, de l'ordre du fme = -1,6.10-19 Cmp = 9,110.10-31 kg
La charge électrique, notée q, est une grandeur physique. La charge d’un proton ou la charge d’un électron est qualifiée de charge élémentaire, notée e, car c’est la plus petite charge électrique qui existe dans la nature. Toute charge électrique est un multiple de e. Son unité est le Coulomb, notée C, dans le système international. On note également :

  • q p = + e
  • q e- = - e
  • q neutron = 0

Neutralité de l’atome et charges électriques de ses constituants

Les particules élémentaires peuvent être chargées positivement, chargées négativement, ou être électriquement neutres.

Or, un atome est toujours électriquement neutre.

Pourtant, les protons sont chargés positivement, alors que les électrons sont chargés négativement. Ces charges s’équilibrent pour que l’atome soit neutre : il y a donc autant de charges positives que de charges négatives, autrement dit il y a autant de protons que d’électrons.

  • Exemple 1 : Un atome d’hydrogène a un noyau composé d’un proton uniquement (il n’y a pas de neutron), il n’y a donc qu’un seul électron.
  • Exemple 2 : Un atome de carbone a un noyau composé de 6 protons et de 6 neutrons. Pour équilibrer les 6 protons chargés positivement, il y a donc 6 électrons chargés négativement.

Représentation et composition de l'atome

Représentation symbolique du noyau atomique avec AZX

Afin de représenter le noyau et l’atome de façon symbolique, on peut utiliser le symbole chimique noté X. Le symbole chimique d’un atome correspond à une ou deux lettres issues du nom entier de l’élément représenté. Ce X peut correspondre par exemple :

  • à H pour l’hydrogène ;
  • à C pour le carbone ;
  • à Fe pour le fer ;
  • à Mg pour le magnésium ;
  • etc.

Note : S’il y a deux lettres, la première est toujours en majuscule, et la seconde en minuscule. A correspond au nombre total de nucléons, c’est-à-dire aux protons et aux neutrons additionnés. On parle aussi du nombre de masses. Enfin, Z correspond au numéro atomique. Il correspond également au nombre de protons.

Que signifie le modèle AZX? Le modèle AZX permet de déduire la constitution de l'atome

Nombre de nucléons, de neutrons, de protons et d’électrons d’un atome

A partir du modèle AZX présenté ci-dessus, on peut déterminer le nombre de nucléons, de neutrons, de protons et d’électrons d’un atome donné. Z correspond au nombre de protons, et donc également au nombre d’électrons puisqu’il doit y avoir autant de protons (charges positives) que d’électrons (charges négatives) dans un atome afin qu’il soit électriquement neutre. Le nombre de neutrons, noté N, peut être déduit en calculant la différence entre le nombre de nucléons et le numéro atomique (= nombre de protons) : N = A - Z. On peut ainsi retenir que :

  • le nombre de protons = numéro atomique = Z
  • le nombre d’électrons = nombre de protons donc = numéro atomique = Z
  • le nombre de nucléons = A – Z

Exemple :  pour un atome de carbone classique Symbole d'un atome de carbone il y a :

  • A = 12 nucléons = 12 masses ;
  • Z = 6 protons.

Un atome étant toujours électriquement neutre, il doit avoir autant d’électrons que de protons, on en déduit ainsi que l’atome de carbone a 6 électrons. Enfin, il y a A-Z neutrons, c’est-à-dire 6 neutrons en l’occurrence. Note : Les atomes contiennent souvent un nombre de neutrons proche du nombre de neutrons, voire égal, afin d’avoir une structure stable, mais il faut faire attention car ça n’est pas toujours le cas. Exemple : Le noyau de l’uranium est composé de 92 protons (et donc d’autant d’électrons) et de 138 neutrons.

Numéro atomique et classification périodique de Mendeleïev

La classification périodique, également appelée tableau périodique ou encore tableau de Mendeleïev, est un tableau qui rassemble tous les éléments chimiques présents dans la nature que nous connaissons à l’heure actuelle.

Ce tableau classe tous ces éléments par ordre croissant de numéro atomique.

A quoi ressemble la classification périodique, ou tableau de Mendeleïev? Classification périodique

C’est dans ce tableau que l’on peut consulter pour chaque élément le symbole chimique et le numéro atomique au minimum. Selon les tableaux, on peut également connaitre le A, le nom entier de l’élément chimique et parfois sa masse molaire. Note : Tous les éléments que nous connaissons actuellement ne sont pas dans le tableau de Mendeleïev car celui-ci ne contient que les éléments naturels. Or, depuis la construction de ce tableau en 1869, l’Homme a créé des éléments artificiels qui n’existent pas dans la nature à notre connaissance.

Les isotopes

Chaque type d’atome est caractérisé par son nombre de protons qui lui est propre. Par exemple, tous les atomes de carbone contiennent 6 protons dans leur noyau. Ainsi, un atome contenant 6 protons est nécessairement un atome de carbone. Au contraire, un atome contenant un nombre différent de protons ne peut pas être un atome de carbone. En revanche, il peut y avoir des atomes avec le même nombre de protons mais avec des nombres de neutrons différents : on dit que ce sont des isotopes. Tous les isotopes du carbone ont donc 6 protons, mais ils peuvent avoir 6 neutrons, ou 7, ou 8 par exemple. Ainsi, pour un élément chimique donné, plusieurs isotopes peuvent être associés.

Des isotopes ont les mêmes propriétés chimiques mais leur stabilité peut être différente.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

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17 Auteurs du commentaire
Stéphane Joy Isabel Clément Caro Auteurs de commentaires récents
Owen
Owen
Invité
28 Avr.

Ce site est génial et m’a permis de comprendre certaines notions

MATHIS
MATHIS
Invité
28 Nov.

super site merci pour toutes les infos garce a ce site j’ai eu une une super note en DS de physique!

Jade
Jade
Invité
29 Déc.

je n’avais absolument rien compris au cours étant absente et ayant une professeur vraiment nulle ( excusez moi mais c’est vrai … ) et ce site m’a permis de tout comprendre très rapidement, merci beaucoup !

Lavialle
Lavialle
Invité
24 Jan.

Merci, beaucoup, j’ai quitté le lycée voilà bien longtemps mais j’avais besoin de comprendre certaines notions. Vos explications sont très claires, merci ! EL.

Humc
Humc
Invité
14 Fév.

J’ai l’impression qu’il y a une erreur … ou peut être que c’est juste moi? ^^’
Dans la partie : Nombre de nucléons, de neutrons, de protons et d’électrons d’un atome: « le nombre de nucléons = A – Z » c’est plutôt le nombre de neutrons non ?

Clément
Clément
Éditeur
17 Fév.

Bonjour,

Ce que vous dîtes est correct, mais c’est bien ce qui est écrit dans l’article, relisez attentivement !

Le nombre de neutrons est égal à la différence entre le nombre de nucléons et le nombre atomique.

Steven mahop
Steven mahop
Invité
10 Sep.

Ahh d’accord. Elle a juste mal copié

Steven mahop
Steven mahop
Invité
10 Sep.

Effectivement

Audrey Mabanza Biyaoula
Audrey Mabanza Biyaoula
Invité
14 Jan.

Exact

webmaster
webmaster
Invité
21 Avr.

genial

webmaster
webmaster
Invité
21 Avr.

genial ce site

Steven mahop
Steven mahop
Invité
10 Sep.

J’ai beaucoup aimé ça m a permis de mieux réviser mon Cours parceque en classe je comprenais pas grand choses. Cool

doudou
doudou
Invité
4 Oct.

Trop cool ce site !

Nicolas
Nicolas
Invité
12 Nov.

Dans la note suivante, il doit y a voir une coquille :

Note : Les atomes contiennent souvent un nombre de neutrons proche du nombre de neutrons, voire égal, afin d’avoir une structure stable, mais il faut faire attention car ça n’est pas toujours le cas.

« nombre de neutrons proche du nombre de neutrons » çà parait logique !

Clément
Clément
Éditeur
12 Nov.

Bonjour Nicolas,

Ne vous inquiétez pas, il n’y a pas d’erreur. Nous voulons signifier que même si l’on dit qu’un atome contient un certain nombre x d’atomes, il est possible que ce nombre ne soit pas exact car les atomes peuvent en gagner un peu ou en perdre un peu afin de regagner uns structure stabilisée.

Bonne journée !

Carrero Christophe
Carrero Christophe
Invité
11 Fév.

C’est concis c’est clair ! 👍

Clowind
Clowind
Invité
25 Fév.

A 80 ans, je mets à jour mes notions de physique du lycée… qui en avaient bien besoin. Je trouve cet article remarquable par sa clarté.

Clowind
Clowind
Invité
25 Fév.

Remarque : pour l’uranium, 92 protons et 138 neutrons donnent un total de 230 nucléons, alors que le tableau de classification indique 238.

Joy
Joy
Éditeur
19 Mar.

Bonjour Clowind,

Dans la situation que vous décrivez, vous parlez de l’uranium 230 qui est en fait un isotope non stable de l’uranium 238 qui se trouve être le plus stable et le plus abondant sur Terre. C’est pour cela que, dans le tableau périodique des éléments, on indique l’uranium en choisissant l’uranium 238.

Si vous souhaitez en savoir plus, je vous invite à consulter notre chapitre sur l’uranium !

Caro
Caro
Invité
5 Mar.

Est ce qu’un noyau peut être constitué seulement de neutrons?

Clément
Clément
Éditeur
11 Mar.

Bonjour Caroline,

Un noyau atomique se compose toujours de protons et de neutrons.
Le seul cas particulier est celui de l’atome d’hydrogène qui ne comporte qu’un seul proton et pas de neutron.

Bonne journée

Isabel
Isabel
Invité
18 Mar.

Pourquoi la masse molaire d’un ion est elle l’a même que celle de l’atome dont ils provient ?

Joy
Joy
Éditeur
19 Mar.

Bonjour Isabel,

On considère que la masse molaire d’un ion et identique à celle de son atome car la masse d’un électron est négligeable devant celle d’un nucléon. Par conséquent la masse d’un atome est peu différente de celle de l’ion correspondant. La masse d’une mole d’atome est donc peu différente de la masse d’une mole d’ions.

La masse molaire atomique est peu différente de la masse molaire ionique.

Stéphane
Stéphane
Invité
17 Sep.

Bonjour,
Il y a bien une petite coquille ici :
On peut ainsi retenir que :
le nombre de protons = numéro atomique = Z
le nombre d’électrons = nombre de protons donc = numéro atomique = Z
 » le nombre de nucléons = A – Z »
Très bon cours par ailleurs!