Introduction Université Gaston Berger de Saint – Louis Matière = (atomes) Institut Polytechnique de Saint – Louis (IPSL) Atome vient du mot grec « atomos » = « insécable » Période 1875 – 1910, diverses expériences Chapitre I: Structure de l’atome historiques ont montré que les atomes ne sont pas les M. Adama SY ultimes constituants de la matière. UFR des Sciences Appliquées et Technologie Atome est constitué de plusieurs types de particules 1 2 I. Découverte de l’électron I. Découverte de l’électron I.1. Expérience de William Crookes (1879) I.1. Expérience de William Crookes (1879) (Décharge électrique dans les tubes cathodiques contenant du gaz raréfié à pression régulée) Fluorescence due à l’impact sur le verre de rayons issus de la cathode appelés « rayons cathodiques » Si (0,01 ≤ Pgaz ≤ 0,1)bar alors le gaz devient lumineux et le verre luminescent (lampes « néons », enseignes Jean Perrin a prouvé que ces particules sont chargées lumineuses,…). Si (Pgaz < 0,01)bar alors le gaz reste obscur mais le verre devient fluorescent du côté opposé à l’électrode négative (cathode). négativement, en observant leurs déviations sous l’effet d’un champ électrique ou magnétique. En 1895, J. J. Thomson montra que le rapport e/m est le même quelque soient le gaz dans le tube de décharge et le métal utilisé comme cathode. e/m = 1,759.1011 C/Kg. 3 4 I. Découverte de l’électron II. Découverte du noyau I.2. Expérience de Millikan (1909) II.1. Expérience de Rutherford (1911) Millikan découvrit, grâce à son expérience sur les gouttelettes d’huile électrisées, la valeur de la charge élémentaire « e » Il a montré que toute charge est un multiple relatif de la charge élémentaire (q = Ze avec e = 1,602.10-19 C). La matière de la feuille d’or est essentiellement constituée du « vide ». Sa masse est concentré en certains points de la 5 matière condensée: les noyaux atomiques II. Découverte du noyau II. Découverte du noyau II.2. Constitution du noyau atomique II.2. Constituants des nucléons (1975) Nucléons : indivisibles et sans structure interne? 50 ans après, l’existence des « quarks » a été démontrée Noyau = (protons + neutrons) (nucléons) Proton (mp = 1,673. 10-27 kg ;qp = e = 1,6 . 10-19 C) Neutron (mn = 1,675. 10-27 6 expérimentalement. Il existe de nos jours six sortes de quarks. Leur masse n’est pas connue avec précision. kg ; qn = 0 ) mp ≈ mn = 1836 me Quarks matome ≈ mnoyau Ratome = 10-10 m (1 Å ) >> Rnoyau= 10-15 m (1 fm) Up (u) Down (d) Strange (s) Charm (c) Beauty (b) Charge (C) (2/3) e Conclusion (-1/3) e (-1/3) e (2/3) e (-1/3) e Top (t) (2/3) e • Proton = 2 quarks up + 1 quark down (uud) l’atome est essentiellement constitué du vide 7 • Neutron = 1 quark up + 2 quarks down (udd) 8 II. Découverte du noyau III. Caractéristiques de l’atome II.2. Constituants des nucléons (1975) III.1. Elément chimique Elément chimique = ensemble des atomes ayant même Z. Il convient d’associer à chaque élément un symbole A Z Les nucléons sont composés de quarks, qui à leur X q ou A X q A : nombre de masse ou nombre de nucléons tour ne sont pas des particules simples. Z : nombre de protons ou nombre de charge ou numéro De nombreuses particules constitutives du noyau atomique ont été identifiées: fermions, leptons, quarks, mésons,…. N : nombre de neutrons avec A = Z + N q: charge portée par l’élément Quel serait enfin le constituant ultime, élémentaire et fondamental de la matière? 9 q ≠ 0 (ion avec Nélectrons = z – q) 10 III. Caractéristiques de l’atome III. Caractéristiques de l’atome III.2. Nucléide, isotopes, isobares, isotones III.3. Mole – Masse atomique – Masse molaire Mole: unité de quantité de matière qui contient autant Nucléide : Atomes ayant même couple (A, Z) d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 12 g de Isotopes : nucléides ayant même Z Ex: 35Cl: 12C: 75 ; 98,89 ; 37Cl: 13C : 1,108 ; 14C: carbone 12C. Ce nombre est appelé nombre d’Avogadro traces N = 6,02. 1023 25 (proportion à l’état naturel en %) Masse atomique: somme des proportions relatives à Isobares : même A chaque isotope. m = ∑ xi mi (kg) Le kg non commode. uma (unité de masse atomique) Isotones : même N est plus adaptée à la taille des particules. 1 uma = 1/12 mC(12C) = 1,67.10-27 kg 11 III. Caractéristiques de l’atome III.3. Mole – Masse atomique – Masse molaire Masse molaire d’un atome est la masse d’une mole de l’atome. D’une manière générale M = ∑ xi Mi (g/mol) Exemple: Le lithium naturel est un mélange des deux isotopes 6Li et 7Li, dont les masses atomiques sont respectivement 6,017 et 7,018 g.mol-1. Sa masse atomique apparente est 6,943 g.mol-1. 1. Quel est l’isotope le plus abondant ? Justifier. 2. Quelle est sa composition isotopique (% de chaque isotope). 13 12
