Structure des atomes

Thème : la santé / Sous-thème : le diagnostic médical
Chapitre 4 - Activité documentaire
Objectifs : - Connaître la constitution d’un atome et de son noyau.
- Connaître et utiliser le symbole
X
A
Z
- Savoir que l’atome est électriquement neutre.
I. Description de l’atome
1. Masse et dimension
Choisir une citation qui met en évidence le fait que l'atome appartient au domaine de l'infiniment petit.
2. Structure
Quelles sont les deux régions que l'on distingue dans un atome ?
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Comment nomme-t-on les différentes particules constituant le noyau et appelées nucléons ?
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Structure des atomes
Activité
documentaire
Lire attentivement le texte et répondre aux questions suivantes :
Lorsque j'entrai au laboratoire dirigé par Joliot au Collège de France, la connaissance que j'avais de la structure de la matière ne devait
guère dépasser celle acquise par un lycéen de 1993 abonné à de bonnes revues de vulgarisation. Je les résume rapidement : la matière est
composée d'atomes, eux-mêmes constitués de noyaux entourés d'un cortège d'électrons.
Les noyaux portent une charge électrique positive qui est de même valeur et de sens opposé à la charge des électrons qui gravitent autour
du noyau. La masse d'un atome est concentrée dans le noyau.
Peut-être, sans prétendre faire un cours de vulgarisation, puis-je donner quelques précisions en me fondant sur des notions qui sont
intuitives chez presque tous les lecteurs ?
Un litre d'eau contient environ trente millions de milliards de milliards d'atomes d'oxygène et deux fois plus d'atomes d'hydrogène. Or le
litre d'eau pèse un kilogramme.
Si je devais exprimer le poids de chaque atome avec les unités familières dans la vie courante, comme le kilogramme, je traînerais des
chiffres avec une quantité quasi insupportable de zéros après la virgule !
Le noyau de l'hydrogène, ou proton, porte une charge électrique positive. Celui-ci a un compagnon, le neutron, qui est neutre
électriquement et a sensiblement la même masse.
Tous deux s'associent de façon très compacte pour constituer les noyaux qui sont au cœur des atomes peuplant notre univers. Ils
s'entourent d'un cortège d'électrons dont la charge compense exactement celle des protons. En effet, la matière est neutre sinon elle
exploserait en raison de la répulsion qu'exercent l'une sur l'autre des charges de même signe, positif ou négatif. Il faut avoir en tête
l'échelle des dimensions. Le diamètre d'un atome est voisin d'un centième de millionième de centimètre. Celui d'un noyau d'atome est cent
mille fois plus petit. On voit donc que presque toute la masse d'un atome est concentrée en un noyau central et que, loin sur la périphérie,
se trouve un cortège qui est fait de particules de charge électrique négative, les électrons. C'est ce cortège seul qui gouverne le contact des
atomes entre eux et donc tous les phénomènes perceptibles de notre vie quotidienne, tandis que les noyaux, tapis au cœur des atomes, en
constituent la masse.
La construction des atomes obéit à des lois strictes dont la découverte a été le triomphe de la mécanique quantique. Les composants n'en
sont pas des billes sphériques pesantes et minuscules. L'addition des protons et des neutrons se fait de façon telle que leur nombre est
sensiblement le même. La force qui lie les protons et les neutrons ensemble compense largement la répulsion électrique entre deux
particules de même charge très proches. L'étude de cette force est justement l'objet de la physique nucléaire. Les électrons qui orbitent
autour du noyau sont en nombre égal à celui des protons. Ils s'organisent en obéissant à des lois bien définies et les édifices qu'ils
constituent font l'objet de la physique atomique et moléculaire.
Il y a cent vingt ans un Russe génial, Mendeleïev, avait trouvé de curieuses régularités en classant les atomes connus dans la nature en
fonction de leurs propriétés chimiques et de leur masse. Ces régularités étaient tellement frappantes que lorsqu'un élément manquait dans
une case du tableau, fait de lignes et de colonnes, des chimistes habiles finissaient, guidés par les propriétés que l'on pouvait deviner à
partir de la postion de la case vide, par trouver l'atome manquant. L'intuition géniale devait s'éclairer plus tard, lorsque fut comprise la
façon dont les électrons s'installent sur des étages à des niveaux de liaison différents autour des noyaux en couches successives ne
comportant jamais plus d'un nombre bien défini d'électrons dans une couche.

Comment se répartissent les électrons ?
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3. Compléter
Un neutron ne porte pas de ....................... . Un proton porte une charge ........................
Ceqp19 10.6,1 
.
Un électron porte une charge .............................
Ceqe19 10.6,1 
.
Dans un atome à l'état normal, le nombre de protons est ...................... au nombre d'électrons. L'atome est
électriquement ..............................
Où se trouve concentrée la masse de l'atome ? Justifiez en vous aidant du texte.
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II. L’atome infiniment petit
On admettra les données suivantes :
- masse d'un proton = masse d'un neutron
kgmm np 27 10.67,1. 
.
- masse d'un électron
kgme31 10.1,9. 
.
1. Le noyau d'un atome de cuivre est constitué par 29 protons et 34 neutrons.
- Préciser le nombre de nucléons et le nombre d'électrons constituant cet atome.
Nombre de nucléons ……………………. Nombre d’électrons ……………….
- Calculer la masse m du noyau.
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- Calculer la masse de l'atome.
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- Que pouvez vous dire de la masse du nuage électronique comparée à celle du noyau ? Conclure.
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2. Calculer le nombre X d’atomes de cuivre contenus dans un échantillon de cuivre de masse M = 1,0 g
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III. Exemples d’atomes
Le noyau d’un atome est représenté par le symbole :
X
A
Z
X est le symbole de son …………. Z est appelé ………………………….. : c’est le nombre de
……………….. ou le nombre ……………… On l’appelle encore nombre de charge.
A est le nombre de ……………… de l’atome : c’est le nombre de …………… et de …………….

Pour chacun des noyaux représentés dans le tableau, compléter la ligne correspondante
Symbole
Nom de l’atome
Nombre
d’électrons
Nombre de
protons
Nombre de
nucléons
Nombre de
neutrons
Structure
électronique
He
4
2
C
12
6
Na
23
11
Cl
35
17
Cl
37
17
Comparer les deux derniers atomes : …………………………………………………………………………
Que peut on dire de deux atomes isotopes : …………………………………………………………………..
IV. le cortège électronique
1. Dans le cortège électronique, les électrons se répartissent en couches (voir animation)
La couche K (ou premier niveau) contient au maximum ……… électrons ; la couche L (ou deuxième
niveau) contient au maximum …….. électrons ; la couche M (ou troisième niveau) contient au maximum
….... électrons.
Le remplissage commence toujours par les premières couches.
Le cortège électronique d’un atome peut être représenté de manière conventionnelle par sa « structure
électronique » ; ex : pour l’atome d’oxygène
O
16
8
: ( K )2 ( L )6. Ce qui signifie que les électrons se
répartissent sur deux niveaux d’énergie (ou deux couches). La couche K renferme …….. électrons,
la couche L renferme ……. électrons.
2. Remplissez la colonne « structure électronique » du tableau
Qu’appelle t’on la couche externe ? …………………………………………………………………………
Qu’appelle t’on les couches internes ? ………………………………………………………………………
Dans les exemples du tableau, donner le nombre d’électrons de la couche externe des différents atomes :
He
4
2
………………
C
12
6
………………
Na
23
11
………………
Cl
35
17
………………
3. Le cortège électronique d’un atome renferme sur ses différentes couches les électrons suivants :
1ere couche : 2 électrons ; 2ème couche : 8 électrons. Donner le numéro atomique de cet atome : …………
Quelle est sa structure électronique : …………………………….
Quel est le nombre de protons contenus dans le noyau de cet atome ? ………………