Définition

L’atome est composé d’un noyau, lui-même composé de nucléons : les protons et les neutrons. Ces protons, de charge positive, sont dénombrés grâce au numéro atomique.

Il s'agit donc de la grandeur qui caractérise, non pas chaque atome comme son nom pourrait le laisser penser, mais chaque élément chimique. Il se note Z et correspond au nombre de protons présents dans le noyau d'un élément. Il est caractéristique d’un élément chimique : si ce nombre change (par perte ou gain d’un proton par exemple), l’élément chimique change. C’est le principe des réactions nucléaires.

Exemples :

  • Le numéro atomique de l'or Au est de 79 car il y a 79 protons dans les atomes et les ions d'or
  • Le numéro atomique de l'oxygène O est de 8 car il y a 8 protons dans les atomes et les ions d’oxygène
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Liste

Voici un tableau reprenant la correspondance entre le nom de l’élément et le numéro atomique de l’élément, tel que retrouvé dans le tableau périodique. Les éléments sont classés par ordre alphabétique.

Nom de l'élémentNuméro atomiqueNom de l'élémentNuméro atomique
Actinium89Molybdène42
Aluminium13Neodym60
Americium95Néon10
Antimoine51Neptunium93
Argent47Nickel28
Argon18Niobium41
Arsenic33Nobelium102
Astate85Osmium76
Azote7Or79
Baryum56Oxygène8
Berkelium97Palladium46
Berryllium4Phosphore15
Bismuth83Platine78
Bohrium107Plomb82
Bore5Plutonium94
Brome35Polonium84
Cadmium48Potassium19
Calcium20Praséodyme59
Californium98Promethium61
Carbone6Protactinium91
Ceryum58Radium88
Césium55Radon86
Chlore17Rhenium75
Chrome24Rhodium45
Cobalt27Rubidium37
Cuivre29Ruthenium44
Curium96Rutherfordium104
Darmstadtium110Samarium62
Dubnium105Scandium21
Dysprosium66Seaborgium106
Einsteinium99Sélénium34
Erbium68Silicium14
Etain50Sodium11
Europium63Strontium38
Fer26Soufre16
Fermium100Tantale73
Fluor9Technetium43
Francium87Tellure52
Gadolinium64Terbium65
Gallium31Thallium81
Germanium32Thorium90
Hafnium72Thulium69
Hassium108Titane22
Hélium2Tungstène74
Holmium67Ununbium112
Hydrogène1Ununhexium116
Indium49Ununoctium118
Iode53Ununpentium115
Iridium77Ununquadium114
Krypton36Ununseptium117
Lanthane57Ununtrium113
Lawrencium103Urunium111
Lithium3Uranium92
Lutétium71Vanadium23
Magnésium12Xénon54
Manganèse25Ytterbium70
Meitnerium109Yttrium39
Mendelevium101Zinc30
Mercure80Zirconium40

Unité du numéro atomique

Le numéro atomique n'a pas d'unité ! En effet ce n'est pas une grandeur physique mais un nombre, en l’occurrence un nombre de protons : par conséquent on ne lui attribue pas d'unité. Cela est également vrai pour le nombre de masse A et le nombre de neutrons N.

Numéro atomique et nombre de masse

Lorsque le numéro atomique (Z) et le nombre de masse (A) d'un élément sont connus, il est possible de décrire entièrement la composition de son noyau et sa configuration électronique :

  • Z indique le nombre de protons et, par souci de neutralité électrique de l’atome, au nombre d’électrons. Attention, on parle bien ici d’un atome, et non pas d’un électron.
  • A correspond au nombre de nucléons présents au total dans le noyau
  • N = A – Z correspond au nombre de neutrons

La cohésion du noyau résulte de l’équilibre entre la force nucléaire forte (qui attire les nucléons entre eux) et la force électromagnétique (répulsion entre les protons). Ce sont ces forces qui permettent de stabiliser un noyau.

La plupart des isotopes stables d'un élément (avec un noyau possédant le même Z mais un N différent entre les noyaux) ont un nombre de neutrons très proche ou égal au nombre de protons (Z proche ou égal à N).

Par conséquent, le nombre de masse A possède souvent une valeur proche du double de Z (A = 2 x Z) mais cette tendance est surtout vérifiée pour les éléments légers. Pour les éléments plus lourds, N tend à devenir inférieur à Z.

Il existe plusieurs formes possibles d'un nucléide :

  • des isotopes : deux atomes isotopes possèdent le même nombre de protons (donc un même Z), mais le nombre de neutrons varie
  • des isotones : deux atomes isotones possèdent le même nombre de neutrons (même N), mais le nombre de neutrons varie
  • des isobares : deux atomes isobares possèdent le même nombre de masse (même A). Si N augmente, Z diminue d'autant.
  • des isomères : deux atomes isomères possèdent les mêmes A, Z, et N, mais l'état d'excitation des atomes varie.

Numéro atomique et masse atomique

Lorsqu'on connait seulement le numéro atomique d'un atome, il n'est pas possible de déterminer sa masse atomique car celle-ci ne peut être obtenue que si l'on connait la composition complète du noyau. Or Z n'indique que le nombre de protons. Le noyau comporte aussi des neutrons dont il faut tenir compte pour calculer la masse atomique.

L’essentiel de la masse d’un atome est concentrée dans le noyau. Cependant, la masse d’un noyau est inférieure à la somme des masses des nucléons avant constitution du noyau : il existe un défaut de masse, due à l’énergie de liaison totale du noyau, qui diminue la masse totale du noyau.

    \[M_{noyau}=Z\times M_{protons}+N\times M_{neutrons}-\triangle m\]

La somme des constituants isolés de chaque noyau sera donc supérieure à celle du noyau à la composition équivalente, à cause de ce défaut de masse.

    \[E=\triangle m\times c^{2}\]

Dans cette formule, le défaut de masse ∆m est exprimé en u.m.a., soit « unité de masse atomique », unité basée sur la masse d’un atome de carbone 12 de façon à ce que cet atome ait une masse de 12 u.m.a.

La masse d’un nucléon est proche de 1 u.m.a. L’équivalent énergétique du défaut de masse E est équivalente à l’énergie de liaison totale du noyau B, et c correspond à la célérité de la lumière dans le vide. On peut exprimer E en MeV avec l’équivalence : 1 u.m.a x c2 = 931,5 MeV.

Numéro atomique et nombre d'électrons

Un atome étant par définition neutre, son nombre d'électrons (portant chacun une charge -e) est égal au nombre de protons (portant chacun une charge +e) : le numéro atomique Z correspond donc aussi bien au nombre de protons qu’au nombre d’électrons.

Dans le cas des ions ceci n'est plus vrai, il faut déterminer le nombre d'électrons perdus ou gagnés lors de la formation de l'ion pour trouver le nombre total d'électrons. Il est possible pour cela :

  • d'utiliser la formule de l'ion (lorsqu'elle est connue) : un ion Ca2+ aura par exemple perdu 2 électrons par rapport à l’élément Ca, alors qu’un ion Cl- aura gagné un électron par rapport à l’élément Cl
  • d'établir la structure électronique de l'atome afin d'utiliser la règle du duet ou de l'octet pour prévoir le nombre d'électrons perdus ou gagnés (afin de réaliser la règle de l’octet ou du duet)

Numéro atomique dans un ion ou une molécule

Un élément chimique peut se présenter sous forme atomique ou ionique, dans un corps simple ou composé. Mais chacune de ces formes n'affecte pas le noyau : par conséquent, un élément conserve le même nombre de protons et donc le même numéro atomique. L’élément hydrogène conserve par exemple le numéro atomique Z=1 qu'il soit sous forme d'ion hydrogène (H+), sous forme de dihydrogène (H2) ou sous forme d'eau (H2O). Cette conservation du numéro atomique est au cœur même de la notion d'élément chimique.

Modification du numéro atomique : notion de fission et de fusion nucléaire

La stabilité d’un noyau atomique est définie selon plusieurs critères visibles d’après la courbe d’Aston. Cette courbe permet d’effectuer un lien entre l’énergie de liaison moyenne par nucléon B/A (exprimé en MeV) et le nombre de nucléons dans le noyau.

Comment est définie la stabilité d’un noyau
La courbe d’Aston est basée sur la formule de Bethe-Weizsacker, qui permet de donner une valeur approximative de l’énergie de liaison nucléaire B. La zone des noyaux les plus stables est définie pour une énergie de liaison B/A entre 8 et 9 MeV, pour un nombre de nucléons A compris entre 40 et 180. Au-delà, les noyaux auront tendance à rechercher la stabilité par fission nucléaire, en dessous, ils atteindront la stabilité par la fusion nucléaire.

Deux réactions nucléaires permettent aux noyaux d’atteindre cette stabilité :

  • La fusion nucléaire : elle se déroule entre deux noyaux légers, et nécessite un apport d’énergie supérieur à B/A
  • La fission nucléaire : elle concerne un noyau lourd, et libère une partie de l’énergie de liaison B du noyau. Elle peut être contrôlée, dans un réacteur nucléaire, ou en chaine, dans une bombe atomique.

Dans les deux cas, les réactions modifient le numéro atomique Z initial de l’atome, et va donc produire un nouvel élément chimique.

La fusion nucléaire

Au cours d’une fusion nucléaire, deux noyaux atomiques légers s’assemblent, à l’aide d’un apport d’énergie thermique, pour former un noyau plus lourd. Cette fusion a pour effet l’émission de particules α et de neutrons. C’est ce phénomène que l’on retrouve dans la bombe H, ou bombe à hydrogène, théoriquement 1000 fois plus puissantes que les bombes lâchées sur Hiroshima ou Nagasaki durant la Seconde guerre mondiale.

La fission nucléaire

Dans un réacteur nucléaire, la réaction de fission est obtenue par bombardement des noyaux d’uranium 235U par des neutrons. Ce noyau d’uranium est naturellement instable. Les bombardements libèrent l’énergie correspondant au défaut de masse sous forme d’énergie cinétique et de photons, ainsi que 2 noyaux ayant un nombre de masse A de l’ordre de 100 à 140.

Le tableau périodique

Le tableau périodique a permis d’ordonner les éléments selon leur numéro atomique, qui correspond approximativement à leur masse atomique. Les différentes versions du tableau périodique comportent un nombre variable d'informations pour chaque élément, mais elles fournissent obligatoirement leur numéro atomique. S'il n'y a qu'une valeur indiquée dans le cadre d'un élément, c'est forcément lui !

Dans la plupart des classifications périodiques, le numéro atomique est accompagné du nombre de masse (A), mais il est facile de les distinguer car le numéro atomique est toujours plus petit que le nombre de masse. Pour plus d’informations sur le sujet, voir le cours sur « Le tableau de Mendeleiev ».

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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).