Un atome est la plus petite unité constitutive de la matière ordinaire qui possède les propriétés d'un élément chimique. L'atome est composé de :
-
Le noyau atomique : formé de particules subatomiques appelées nucléons. Les nucléons peuvent être des neutrons ou des protons.
-
Un nuage d'électrons : un autre type de particule subatomique se déplaçant autour du noyau.
La principale différence entre les protons, les neutrons et les électrons est leur charge électrique. Les électrons ont une charge électrique négative, les protons ont une charge positive et les neutrons sont des particules avec une charge électrique neutre.
Les atomes neutres ont le même nombre d'électrons que les protons puisque les deux sous-particules ont la même charge électrique.
Un atome est constitué d'un noyau central très dense, dont les nucléons sont rapprochés, et d'électrons qui se déplacent autour du noyau à une distance relativement grande.
Structure du noyau de l'atome
Le noyau atomique est la partie centrale de l'atome qui est composée de nucléons reliés entre eux par des liaisons très fortes. Un nucléon peut être un proton ou un neutron.
Parce que les protons ont une charge électrique positive et les neutrons ont une charge neutre, la tendance naturelle est de se séparer. Les liaisons qui maintiennent les nucléons ensemble exercent une force nucléaire beaucoup plus forte que la force électromagnétique à courte distance.
La force de ces liaisons nucléaires permet de s'affranchir de la répulsion électrique entre les protons.
Quel est le nombre de masse d'un atome ?
Le nombre de masse d'un atome est le nombre de nucléons dans son noyau atomique, c'est-à-dire la somme des protons et des neutrons.
Le volume du noyau est à peu près proportionnel au nombre total de nucléons, le nombre de masse.
Que représente le numéro atomique ?
Le numéro atomique est le nombre de protons que possède un atome et est représenté par Z.
Les atomes sont classés dans le tableau périodique des éléments selon leur numéro atomique.
Isotopes : atomes avec une composition de noyau différente
Les atomes d'un élément chimique doivent avoir le même nombre de protons, mais ils peuvent avoir un nombre différent de neutrons. Les atomes d'un même élément avec un nombre différent de neutrons sont appelés isotopes.
Les isotopes peuvent être trouvés naturellement mais peuvent également être manipulés. Par exemple, l'enrichissement de l'uranium consiste à augmenter le nombre de neutrons dans un atome d'uranium pour le rendre plus instable et favoriser les réactions de fission.
Qu'est-ce que le nuage d'électrons ?
L'électron est une particule élémentaire stable avec la plus petite charge négative qui existe dans la nature. Cette charge est appelée charge élémentaire, car toute charge électrique séparable est constituée d'un nombre entier d'entre elles.
Les électrons ont une charge électrique négative, ils sont donc attirés par les protons, de signe positif dans l'atome à travers la force électromagnétique. Cette force augmente en réduisant la distance entre l'électron et le noyau.
L'existence de l'électron a été découverte par JJ Thomson. A partir de ce moment, il est déjà apparu dans tous les modèles atomiques développés à l'avenir.
Orbitales atomiques : la probabilité de trouver un électron en un point
Les électrons ont tendance à former un certain type d'onde stationnaire autour du noyau atomique. Chacune de ces ondes est caractérisée par une orbitale atomique, une fonction mathématique qui décrit la probabilité de trouver l'électron en chaque point de l'espace.
Le nuage d'électrons est la région occupée par ces ondes, visualisée comme une densité de charge négative autour du noyau.
Chaque orbitale correspond à une valeur d'énergie possible pour les électrons. Cependant, un électron peut sauter à un niveau supérieur ou inférieur en capturant ou en émettant de l'énergie.
Le concept d'orbitale atomique a été introduit pour la première fois dans le modèle atomique de Schrödinger.
Quelle est l'importance de la composition d'un atome pour l'énergie nucléaire ?
La base de tout ce qui touche à l'énergie nucléaire réside dans le noyau de l'atome, puisque la technologie nucléaire repose sur l'utilisation de l'énergie interne contenue dans les atomes.
L'énergie nucléaire est obtenue à partir de la division du noyau d'un atome (fission nucléaire) ou de la fusion de deux noyaux atomiques (fusion nucléaire).
Lorsque cela se produit et que la structure de l'atome change, une grande quantité d'énergie thermique est libérée.
Réactions nucléaires : fission et fusion d'atomes
Le noyau atomique peut être altéré par des processus très énergétiques qui peuvent provoquer un changement dans la structure de l'atome. Les noyaux instables d'uranium et de plutonium peuvent subir des désintégrations qui peuvent modifier le nombre de protons et de neutrons en émettant un rayonnement.
Un noyau lourd peut se scinder en noyaux plus légers lors d'une réaction nucléaire ou spontanément. Au moyen d'une quantité d'énergie suffisante, deux ou plusieurs noyaux peuvent fusionner en un plus lourd, dans ce cas, il s'agirait d'une réaction de fusion nucléaire.
Les éléments chimiques qui ont un faible numéro atomique, les noyaux avec des nombres différents de protons et de neutrons ont tendance à se désintégrer en noyaux avec des proportions plus similaires. Cependant, les éléments les plus lourds ont besoin d'une proportion plus élevée de neutrons pour stabiliser le noyau.