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Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

L'atome

L'atome

L'atome est une structure dans laquelle la matière est organisée dans le monde physique ou dans la nature. Les atomes forment les molécules, tandis que les atomes sont à leur tour formés de constituants subatomiques tels que des protons (avec une charge positive), des neutrons (sans charge) et des électrons. (avec charge négative).

De manière graphique, qu'est-ce qu'un atome? Imaginons que nous ayons un morceau de fer. Nous l'avons divisé. Nous avons toujours deux morceaux de fer mais des plus petits. Nous les recommencerons, encore une fois ... Chaque fois que nous aurons d'autres pièces plus petites jusqu'à ce que vienne un moment, dans lequel si nous divisons de nouveau ce que nous aurions laissé ne serait pas du fer, ce serait un autre élément du tableau périodique. En ce moment, nous pouvons dire que ce qui nous reste est un atome, un atome de fer.

Définition de l'atome

De manière plus formelle, nous définissons l'atome comme la plus petite particule dans laquelle un élément peut être divisé sans perdre ses propriétés chimiques.

L'origine du mot atome vient du grec, qui signifie indivisible. Au moment où ces particules ont été baptisées, on pensait qu'elles ne pourraient pas vraiment être divisées, même si nous savons aujourd'hui que les atomes sont constitués de particules encore plus petites, réparties dans les deux parties de l'atome, appelées particules subatomiques.

Parties d'un atome

Définition de l'atome

La structure d'un atome est très simple. Nous distinguons deux parties d'un atome: le noyau et le cortex.

Le noyau est la partie centrale de la structure de l'atome. Dans la partie du noyau se trouvent des protons (particules à charge positive) et des neutrons (particules sans charge électrique).

Dans le cortex, la partie externe de l'atome est constituée des électrons (particules à charge électrique négative).

Les protons, les neutrons et les électrons sont les particules subatomiques qui composent la structure de l'atome. Ce qui différencie un atome d'un autre, c'est la relation établie entre eux.

Les électrons chargés négativement sont les particules subatomiques les plus légères. Les protons, chargés positivement, pèsent environ 1 836 fois plus que les électrons. Les neutrons, les seuls qui n'ont pas de charge électrique, pèsent approximativement la même chose que les protons.

Les protons et les neutrons sont regroupés dans la partie centrale de l'atome formant le noyau de l'atome. Pour cette raison, ils sont également appelés nucléons.

De cette manière, la partie centrale de l'atome, le noyau de l'atome, a une charge positive dans laquelle se concentre presque toute sa masse, alors que dans le raccourci autour du noyau de l'atome, il y a un certain nombre d'électrons chargés négativement. La charge totale du noyau de l'atome (positive) est égale à la charge négative des électrons, de sorte que la charge électrique totale de l'atome est neutre.

Modèle de Bohr

Cette description des électrons en orbite autour du noyau atomique correspond au modèle simple de Bohr. Selon la mécanique quantique, chaque particule a une fonction d'onde qui occupe tout l'espace et les électrons ne sont pas situés dans des orbites bien que la probabilité de présence soit plus élevée à une certaine distance du noyau.

Propriétés des atomes

Les unités de base de la chimie sont des atomes. Au cours des réactions chimiques, les atomes sont conservés en tant que tels, ils ne sont ni créés, ni détruits, mais organisés différemment, ce qui crée des liens différents entre un atome et un autre.

Les atomes sont groupés en formant des molécules et d'autres types de matériaux. Chaque type de molécule est la combinaison d'un certain nombre d'atomes liés entre eux de manière spécifique.

Selon la composition de chaque atome, les différents éléments chimiques représentés dans le tableau périodique des éléments chimiques sont différenciés. Dans ce tableau, nous pouvons trouver le numéro atomique et le numéro de masse de chaque élément:

  • Le numéro atomique, représenté par la lettre Z, indique le nombre de protons présents dans un atome, qui est égal à celui d'électrons. Tous les atomes avec le même nombre de protons appartiennent au même élément et ont les mêmes propriétés chimiques. Par exemple, tous les atomes avec un proton seront de l'hydrogène (Z = 1), tous les atomes de deux protons seront de l'hélium (Z = 2).
  • Le numéro de masse est représenté par la lettre A et fait référence à la somme des protons et des neutrons contenus dans l'élément. Les isotopes sont deux atomes avec le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. Les isotopes d'un même élément ont des propriétés chimiques et physiques très similaires.

Tableau périodique des éléments.  Caractéristiques des atomes.

Atomes et leurs isotopes

Il se trouve que les atomes d'un élément n'ont pas tous le même nombre de neutrons dans le noyau. Ceci s'appelle un isotope. Les isotopes ont (presque) les mêmes propriétés chimiques, mais d'autres propriétés physiques. Plus d'un isotope de pratiquement tous les éléments est connu. De plus, il est possible de produire de nouveaux atomes avec des réactions nucléaires, mais ils sont souvent instables et souffrent de décroissance radioactive.

Les isotopes sont très importants dans le secteur de l'énergie nucléaire, car leur manipulation peut générer des variantes plus instables ( isotopes) qui favorisent les réactions de fission nucléaire. L'enrichissement de l'uranium est précisément la conversion d'un isotope de l'uranium en un autre isotope d'uranium plus instable.

Histoire de la théorie atomique

Le concept d'atome est très ancien. Même Demokritos a suggéré que tout est fait d'atomes et de vide, et comme il n'y a pas de vide dans les atomes, ils sont indivisibles, car seul le vide peut séparer les chansons les unes des autres.

Le concept d'atome en chimie a été introduit par John Dalton au début du 19ème siècle. Il expliquait notamment la loi des coefficients de pondération multiples. Cette loi stipule que si deux éléments forment plus d'un composé, les quantités d'un élément qui peuvent coïncider avec la même quantité d'un autre élément sont dans une proportion entière simple, généralement faible.

Au début du XIXe siècle, cette théorie et ces réactions chimiques nous ont permis de déterminer de très près le rapport entre les masses d'atomes de différents éléments. Cependant, on ne savait pas encore quelle était leur masse en fraction de gramme, on ne connaissait que leurs masses relatives. Par conséquent, il était nécessaire d'introduire une unité spéciale de masse atomique définie initialement comme la masse de l'atome d'hydrogène. (Aujourd'hui, il est défini comme 1/12 de la masse de l'atome de carbone 12).

Dans le même temps, la thermo-théorie et la théorie des gaz cinétiques étroitement liés, qui nécessitaient également un gaz constitué de molécules, se développèrent également rapidement. Loi d'Avogadro, basée sur la théorie du gaz cinétique. Il était également utile de déterminer les masses atomiques des éléments gazeux.

Cependant, au XIXe siècle, la théorie atomique revêtait une importance particulière en chimie organique. À travers diverses réactions chimiques, des conclusions de grande portée ont été tirées sur la structure des molécules organiques et l'ordre dans lequel les atomes sont situés entre eux. Lorsque beaucoup plus tard, les rayons X ont également permis d'étudier la structure des molécules organiques, les conclusions des chimistes se sont révélées correctes dans la plupart des cas.

La théorie atomique a été rapidement acceptée par les scientifiques, même si des doutes subsistaient à la fin du XIXe siècle, par exemple Ernst Mach. Seuls les résultats de la radioactivité et l'explication du mouvement d'Albert par Albert Einstein en 1905 ont finalement résolu le différend et permis de déterminer le rapport entre l'unité de masse atomique et le gramme.

Comme la démocratie, Dalton et la communauté scientifique longtemps après lui ont gardé l'atome indivisible. Cependant, l'étude de l'électrolyse jusqu'à la conclusion que l'atome peut obtenir une charge électrique, c'est-à-dire ionisée, a progressivement conduit à l'hypothèse qu'il existe également des particules plus petites chargées électriquement.

Modèles atomiques

Il y a un peu plus de 2 000 ans, le philosophe Platon a introduit les atomes dans divers éléments du timios. Il a combiné un polygone régulier, appelé pièce platonicienne, dans chaque élément classique: terre, air, feu et eau, de sorte que la terre soit équivalente à un cube, un octaèdre d'air, un icosaèdre d'eau et un tétraèdre de feu. Platon pensait que chaque élément était formé de ses propres atomes, comme le supposent les théories actuelles.

Parmi les modèles atomiques actuels, fondés sur des découvertes scientifiques, le premier est le modèle en bulbe de Joseph Thomson, le détecteur d'électrons. Il avait été découvert que l'atome était électriquement neutre mais était constitué de particules chargées de différentes marques. Selon la théorie classique, le seul modèle atomique permanent possible était celui dans lequel les particules positives et négatives sont réparties uniformément dans l'atome.

Cependant, Ernest Rutherford a fait une expérience dans laquelle il a bombardé une mince feuille d'or avec des particules alpha. À sa grande surprise, il découvrit qu'une petite partie des particules rebondissait à travers les autres, comme si la plus grande partie de l'atome était vide et que seul un petit noyau contenait la totalité de la masse. Rutherford s'est retrouvé dans un modèle de système solaire où les électrons font circuler un noyau positif de la même manière que les planètes du soleil. Cependant, selon la physique classique, le modèle atomique de Rutherford ne serait pas stable, car les électrons du mouvement circulaire iraient bientôt rayonner leur énergie.

Niels Bohr a résolu le problème en faisant valoir que les électrons ne font circuler le noyau que dans certains trajets stationnaires permanents. Dans le modèle de Bohr, les électrons ne sont émis que lorsqu'ils se déplacent d'une piste à une autre lors de l'absorption ou de l'émission d'un photon. Les faiblesses du modèle sont liées au fait que rien n'explique ce quantum.

Finalmente, físicos como Erwin Schrödinger recibieron la mecánica cuántica desarrollada. El modelo atómico en el que los electrones forman nubes de probabilidad alrededor del núcleo: nunca se sabe con seguridad dónde está el electrón, pero es como si se extendiera por el espacio. Debido a la complejidad y la racionalidad de la mecánica cuántica, los modelos simples de Rutherford y Bohr todavía se utilizan en la enseñanza, y la mayoría de las personas todavía piensa en los átomos como pequeños sistemas solares. Sin embargo, el modelo atómico mecánico cuántico ha demostrado ser válido en muchos experimentos extremos.

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Dernier examen: 19 avril 2019