L`atome - Sciences Physiques TSI1 Rabeux Michel

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L’atome
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L’atome
II . Structure de l’atome
1. Le noyau
Il est formé de protons et de neutrons ( famille des nucléons ).
Le nombre de nucléons est noté A : c'est le nombre de masse. ( La dénomination nombre de
masse provient du fait que la masse du noyau est très proche de la masse de l'atome et que les
masses des protons et des neutrons sont très voisines, A est donc proportionnel à la masse du
noyau ). 
≈
 : unité de masse atomique   
La dimension du noyau est de l'ordre de quelques fm ( la masse volumique du noyau est
énorme  ).
Le nombre de protons est noté Z ( nombre de charge ) La charge du noyau est   
Le nombre de neutrons est noté N ( N = A - Z ).
2. Le nuage électronique
L'atome étant électriquement neutre, autour du noyau se déplacent Z électrons
Contrairement aux descriptions de Rutherford, les électrons ne gravitent pas autour du noyau
sur des orbites. On ne peut pas déterminer avec précision la position et la vitesse d'un électron
mais on peut uniquement donner une probabilité de présence de l'électron dans un volume
donné. Cependant l'énergie de l'électron est parfaitement définie et est quantifiée ( notion de
couches ). L'ordre de grandeur de la distance noyau-électron est de 100 pm ( → grand vide ).
Les propriétés chimiques sont liées aux électrons ( électrons de valence ).
 définit l'élément chimique,  est aussi appelé numéro atomique.
représentation de Rutherford nuage électronique de l’hydrogène

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3. Notion d’élément chimique, de nucléides, d’isotopes, d’espèces chimiques
Un élément chimique est l'ensemble des atomes ou ions qui ont un même nombre de protons
dans leur noyau. Ce nombre est le numéro atomique Z.
Il est noté par une ou deux lettres ( la première lettre est toujours en majuscule )
Exemples : H, Ca, B, Al. Dans le cas général l’élément chimique sera noté X.
A chaque Z ne correspond qu’un seul élément chimique ( et vice versa ).
Un nucléide est l'ensemble des atomes ou ions dont les noyaux contiennent le même nombre
de protons et le même nombre de neutrons. Le symbole d'un nucléide est : 
Des isotopes sont des nucléides ayant le même nombre de protons mais un nombre de neu-
trons différents. Des isotopes sont donc des nucléides différents d’un même élément chimique
Exemples :
1
1
1
2
1
3
H H H ( les trois isotopes de l'hydrogène )
6
12
6
13
92
235
92
238
C C U U
Il existe 118 éléments chimiques ( dont 92 naturels ) et environ 1500 nucléides ( dont envi-
ron 300 naturels ). Le dernier élément a été trouvé en juin 2009.
Au cours d'une réaction nucléaire, il y a transformation du noyau ( changement de nucléide ).
Au cours d'une réaction chimique, il y a échange d'électrons ( X, A, Z inchangés ).
Une espèce chimique est un composé physico-chimique caractérisé par une formule
sont des espèces chimiques
III . La mole, le nombre d’Avogadro, les grandeurs molaires
1. La mole, le nombre d’Avogadro
La quantité de matière peut s'exprimer en masse ou en nombre d'entités présentes.
Une mole est un nombre d’entités égal au nombre d’atome de carbone présent dans
exactement 12 g du nucléide
6
12
C . ( symbole de la mole : mol. )
Ce nombre est le nombre d'Avogadro 
La mole est l'une des sept unités de base du S.I. (  )
2. La masse molaire
La masse molaire atomique d'un nucléide est la masse d'une mole de nucléide. Cette
masse molaire est très voisine du nombre de masse A lorsqu'elle est exprimée en g.mol
-1
≈ ≈
La masse molaire atomique d'un élément se calcule avec la moyenne pondérée par les
abondances naturelles des masses molaires des nucléides isotopes.
Ex : le chlore naturel est constitué de  de  et de  de 
La masse molaire moléculaire est la masse d'une mole de molécules
Ex : 
3. Le volume molaire
C'est le volume occupé par une mole, l'unité est  . Dans le cas des gaz ( supposés
parfaits ), le volume molaire est indépendant de la nature du gaz ( loi d'Avogadro-Ampère ), il
ne dépend que de la température et de la pression 
Dans les conditions normales de  et de  (   et   ) 
Les conditions standards correspondent à une pression de 

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4. La charge molaire
C’est la charge d’une mole d’ion, le faraday (  ) correspond à la charge d’une mole de
proton ( charge molaire élémentaire ).   
IIII . Les niveaux d’énergie d’un atome
1. Les spectres atomiques
Les atomes émettent un rayonnement électromagnétique si on les soumet à une excitation.
Les spectres obtenus sont des spectres de raies. Ils comportent un ensemble de fréquences
caractéristiques de chaque élément.
spectre du mercure
2. Le spectre de l’atome d’hydrogène
Les longueurs d'onde des raies du spectre de l'atome d'hydrogène ( ou des hydrogénoïdes )
sont données par le relation de Ritz-Rydberg ( relation empirique ) :
λ
  et  
σ est le nombre d'onde  est la constante de Rydberg (  pour  )
Si      on obtient la série Lyman ( appartenant au domaine de l’ultra violet )
Si      on obtient la série Balmer ( 4 raies dans le visible, le reste dans l’ultra
violet )
Si      on obtient la série Paschen ( appartenant au domaine de l’infra rouge )
Si      on obtient la série Brackett ( appartenant au domaine de l’infra rouge )
Si      on obtient la série Pfund ( appartenant au domaine de l’infra rouge )
Si      on obtient la série Humphreys ( appartenant au domaine de l’infra rouge )

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3. Interprétation du spectre de l’atome d’hydrogène
L'énergie d'un atome est quantifiée (elle ne peut prendre que certaines valeurs déterminées ).
A chaque valeur correspond un niveau d'énergie. le passage d'un niveau d'énergie à un niveau
d'énergie supérieure correspond à une excitation. Le retour à un niveau inférieur correspond à
une désexcitation, il y a alors émission d'un photon d'énergie E
ph
= E
p
- E
n
.
λ
s ( constant de Planck )   
Si l'atome n'est pas excité, il est dans son état fondamental.
Dans le cas de l'atome d'hydrogène, les énergies des différents niveaux sont données par la
relation :  n est le nombre quantique principal 
(     )
Lorsque l'atome d'hydrogène est dans son état fondamental   
Lorsque    l'atome devient ionisé.
Pour    l’atome d’hydrogène dans un état excité.
L'énergie d'ionisation de l'hydrogène ( énergie minimale à fournir pour passer de l'état
fondamental à l'état ionisé ) est de  .
Le photon émis lors du passage du niveau  au niveau  a pour expression :
λ
λ
Au cours de l’absorption l’atome d’énergie  est susceptible d’absorber un photon
d’énergie telle que : 
émission absorption

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4. Le spectre des autres atomes
Pour les autres atomes les niveaux sont aussi quantifiés, mais ils n'obéissent plus à la relation
( sauf pour les hydrogénoïdes  )
niveaux d’énergie de l’atome de mercure