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THEME LA SANTE
PARTIE DIAGNOSTIC MEDICAL
TP ACTIVITE DOCUMENTAIRE : L’ELEMENT CHIMIQUE
OBJECTIFS :
 Connaitre la composition d’un atome
 Comprendre la notion d’isotopie
 Définir un ion
 Donner la structure électronique d’un atome
 Caractériser un élément chimique
I. C’EST COMMENT UN ATOME ?
A l’aide d’un dessin légendé, représentez ce que vous pensez être un atome
II. EXPERIENCE DE RUTHERFORD : L’EXPERIENCE QUI PROUVA L'EXISTENCE D'UN NOYAU DANS L'ATOME
Le vide, c’est l’absence de matière. Paradoxalement, on a découvert, au début du XXème siècle, que la matière,
loin d’être compacte, avait beaucoup de vide.
1. Des particules qui traversent la matière
En 1908, Ernest Rutherford, 37 ans, reçoit le prix Nobel pour
l'identification des particules alpha à l'hélium. Lors de son
discours Nobel, il est à même de préciser que ces atomes
d'hélium sont doublement ionisés. Ce résultat fait sensation,
car il est le résultat d'ultimes mesures faites avant son
voyage en Suède.
Rutherford ne s'en tient pas là, il poursuit ses recherches sur
les propriétés des rayonnements radioactifs. Dans la liste des
expériences à faire après son retour de Stockholm, il a inscrit
la diffusion des particules alpha
En 1903, Philip Lenard, bombardant les atomes avec des
rayons cathodiques avait remarqué que ceux-ci traversaient
les atomes comme s'ils ne trouvaient presque rien sur leur
trajet. Il avait résumé ses observations en disant qu'à
l'échelle atomique « la matière solide est transparente » et
remarqué que « l'espace occupé par un mètre cube de platine
solide est aussi vide que l'espace séparant les étoiles de la
terre ».
Observant que des particules alpha de très grande vitesse
étaient déviées par une mince feuille de mica, Rutherford
calcule le champ électrique à l'intérieur du mica et en déduit
qu'il doit être très puissant.
Schéma de l'expérience de Rutherford
Bombardant de très fines feuilles d’or par des
particules alpha, Hans Geiger et Ernest
Marsden, alors étudiants de Rutherford,
observèrent qu’une fraction minime (1 sur
8000) de ces particules étaient défléchies à
grand angle comme si elles rebondissaient sur
un obstacle massif. Les impacts étaient
observés dans l’obscurité au microscope sur
un écran de sulfure de zinc scintillant.
Rutherford en conclut que l’atome contenait
un cœur massif, de charge électrique positive,
capable de repousser les particules alpha.
Mais il faut pouvoir détecter et compter les particules alpha qui sont diffusées. Avec son assistant Hans Geiger,
26 ans, Rutherford met au point une méthode permettant de le faire. Le résultat de leurs observations
confirme l'existence de champs électriques intenses. Reste tout de même une énigme : quelques particules alpha
sont très déviées.
Rutherford demande à un jeune assistant Ernest Marsden, 20 ans, de voir s'il y a des particules alpha qui
subissent une forte déviation en traversant une mince feuille d'or et même rebondissent en arrière. C'est le cas
! C'est dans l'obscurité et à l'œil nu, que Rutherford, Geiger et Marsden comptent les scintillations dues aux
impacts des particules alpha sur un écran de sulfure de zinc.
Rutherford remarque dans une phrase devenue célèbre que tout se passe comme si vous bombardiez une feuille
de papier avec un obus et que le projectile rebondit parfois vers vous. Il étudie le phénomène pendant une année
et trouve l'explication : la charge positive des atomes se trouve dans un noyau massif et compact. Ce noyau
concentre presque toute la masse de l'atome, mais n'occupe qu'une centaine de millionième de millionième de son
volume. L'atome est vide, quasiment à cent pour cent.
D’après http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/lexperiencederutherford.htm

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2. Trois modèles pour une feuille d’or
La figure ci-contre représente trois modèles pour la
constitution de la feuille d’or :
Elle est homogène et forme un écran sans faille devant le
faisceau de particules 
Elle est un empilement de boules pleines et homogènes sur
plusieurs épaisseurs
Elle est un empilement de boules creuses dont le centre est
une très petite boule pleine, le reste étant quasiment sans
matière
3. Questions :
a) Si la feuille d’or était homogène et formait un écran imperméable aux particules , qu’observerait-on ?
b) Depuis Démocrite (370 av J.-C.), on soupçonnait l’existence d’atomes, particules de matière insécables
associées les unes aux autres. Quel modèle, pour la constitution de la feuille d’or, pouvait avoir un savant
avant l’expérience de Rutherford ?
c) Lequel des 3 modèles permet d’interpréter la formation de la tache principale dans l’expérience de
Rutherford et donc le fait qu’il y ait beaucoup de vide dans une feuille d’or ?
d) Les particules alpha ont une charge électrique positive. Rutherford a imaginé que les atomes d’or ont un
noyau très petit et chargé électriquement. La charge du noyau doit-elle être positive ou négative pour
expliquer les taches de rebond ?
III. LA STRUCTURE DE L’ATOME
Un atome possède un noyau autour duquel se déplacent des électrons.
1. Le noyau de l’atome
Le noyau d’un atome est constitué de deux sortes de particules,
appelées nucléons : les protons et les neutrons. Tous les protons
sont identiques entre eux et tous les neutrons sont identiques
entre eux. Il y a un nombre entier de nucléons dans le noyau, noté
A. Le nombre de protons dans le noyau est noté Z et appelé numéro
atomique de l’élément. Un proton et un neutron ont la même masse
mp = mn = 1,67.10-27 kg, mais diffèrent par leur charge électrique : la
charge d’un proton est qp = 1,6.10-19 C
2. Les électrons
Les électrons sont des particules en mouvement autour du noyau.
Les électrons sont tous identiques et en nombre entier. Leur masse
et leur charges sont : me = 9,1.10-31 kg et qe = - 1,6.10-19 C (Coulomb)
3. Questions
a) Proposer une origine au terme neutron. En déduire la valeur de la charge électrique de cette particule
b) Quelle est la masse mnoyau d’un noyau d’oxygène constitué de Z = 8 protons et N = 8 neutrons ?
c) Quelle est la charge électrique Q de ce noyau ?
d) On appelle charge élémentaire, notée e, la charge d’un proton. Combien de charges élémentaires ce noyau
possède-t-il ?
e) Un atome étant toujours électriquement neutre, quel est le nombre d’électrons de l’atome d’oxygène ?
f) On considère une entité constituée de 8 protons, 8 neutrons et 10électrons. Exprimer sa charge en
Coulomb et en nombre de charges élémentaires e
g) Combien d’ordres de grandeurs séparent la masse d’un proton et celle d’un électron ?
h) Notons O l’atome de la question e) et O2- l’ion de la question f). Quelle est la différence de masse entre
l’atome O, et l’ion O2- ?
i) Calculer la masse de l’atome O. Pourquoi peut-on considérer que l’atome, l’ion et leur noyau ont la même
masse

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IV. NOTION D’ISOTOPIE
1. Les isotopes : les faux jumeaux de la physique
On appelle atomes isotopes des atomes dont les noyaux ont le
même nombre de protons Z, mais un nombre de neutron
différent. L’élément oxygène vu précédemment existe également
sous la forme d’isotope 18, c’est à dire dont le noyau possède A =
18 nucléons
L'isotope 18O est utilisé pour connaitre la température dans une
région à un moment donné.
Exemple : isotopes de l’hydrogène
Il faut savoir que la composition isotopique de l'eau (H2O) varie en fonction de la température de l'atmosphère.
En effet, l'atome 18O étant plus lourd que l'atome 16O, H218O va se condenser plus rapidement en eau ou en glace
que le H216O (dans le nuage). Plus le rapport H218O / H216O est grand, plus la température est basse.
Les scientifiques peuvent connaitre le rapport H218O / H216O en étudiant les glaces (principalement en Arctique
et en Antarctique) à l'aide de carottes de glace et en déduire ainsi la température qu'il régnait lors de la
formation de cette couche de glace.
Ce procédé est très utile pour confirmer ou infirmer une théorie sur les changements climatiques naturels
terrestres comme les paramètres de Milanković
2. Questions
a) Donner (nombre de protons, neutrons et électrons) la composition des noyaux, atomes et ions indiqués
Isotope
Abondance relative
Noyau
Atome O
Ion O2-
Oxygène 14
Traces
synthétisées
Oxygène 16
99,762 %
Oxygène 17
0,038 %
Oxygène 18
0,2 %
b) Quel est l’isotope de l’oxygène le plus abondant ?
c) On remarque que pour d’autres éléments les isotopes les plus abondants sont les suivants : 42He ; 126C ;
2814Si ; 3216S. Quelle relation peut-on trouver dans ces noyaux entre le nombre de protons et de neutrons ?
d) Un autre élément possède également 14 nucléons dans son noyau : l’azote. Chercher dans le manuel son
symbole et son numéro atomique. En déduire sa composition
V. OU SE TROUVENT LES ELECTRONS D’UN ATOME ?
Les électrons de déplacent autour du noyau de l’atome. Leurs déplacements sont très organisés. Cette
organisation dépend du nombre d’électrons de l’atome.
1. K, L, M… des couches d’électrons !
Un atome est constitué d’un noyau et d’électrons qui se déplacent autour. Les électrons ne sont pas n’importe où,
ils se répartissent sur des couches successives.
La couche K est la plus proche du noyau, elle contient au maximum 2 électrons
La couche suivante, notée L, contient au maximum 8 électrons
La troisième couche est notée M.
Pour écrire la structure électronique d’un atome, on remplit successivement les couches en commençant par la
couche K, puis la couche L, puis la couche M.
La dernière couche contenant des électrons est appelée couche externe. Les autres, plus proches du noyau sont
appelées couches internes.
Les électrons situés sur la couche externe sont appelés électrons externes ou périphériques
2. Questions
a) Compléter le tableau

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Symbole
Nom
Nb total
d’électrons
Couche K
Couche L
Couche M
Nb
d’électrons
externes
Structure
électronique
N
Azote
7
2
5
0
5
(K)2(L)5
H
Hydrogène
1
0
0
He
Hélium
2
C
Carbone
4
0
Ne
Néon
8
0
Na
Sodium
11
O
Oxygène
(K)2(L)6
F
Fluor
7
0
P
Phosphore
5
b) Parmi les atomes du tableau, quels sont ceux dont la couche externe est pleine ?
c) Quels sont ceux dont la couche L est pleine ?
d) Quels sont ceux dont la couche L est la couche externe ?
e) Quels sont ceux dont la couche K est la couche externe ?
f) Combien y-a-t-il de protons dans le noyau de l’atome de phosphore ?
g) Représenter l’atome de phosphore
VI. ELEMENT ET ION MONOATOMIQUE
1. Qu’est-ce qu’un ion atomique
Lors d’une transformation chimique, un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons. Il devient alors
un ion monoatomique, qui, contrairement à l’atome, n’est pas électriquement neutre.
L’ion est noté par le symbole de l’atome dont il dérive, accompagné, en haut à droite d’un nombre et d’un signe
indiquant la charge qu’il porte, et qui va donc correspondre au nombre de charges élémentaires, c’est-à-dire
d’électrons gagnés ou perdus
2. Questions
a) Quel sera le signe de la charge portée par l’ion s’il gagne des électrons ?
b) Que devra-t-on noter en haut à droite de l’élément si un atome perd 2 électrons ?
c) Compléter le tableau
Elément
Z
Atome
Ion
Symbole
atome
Nb
Protons
Nb électrons
Struct
elec
Symbole
ion
Nb
Protons
Nb
électrons
Struct
elec
Lithium
3
Li
Li+
Béryllium
4
Be
Be2+
Oxygène
8
O
O2-
Fluor
9
F
F-
Sodium
11
Na
Na+
Magnésium
12
Mg
Mg2+
d) Combien d’électrons peut-on enlever au maximum à l’atome d’Hélium (He ; Z = 2) ? Comment le symbolise-
t-on ? Cet ion est la particule  utilisée dans l’expérience de Rutherford
e) Que remarque-ton dans la structure électronique des ions Lithium et Béryllium ? De quel atome ces ions
ont-ils la structure électronique ?
f) Même question pour les ions oxygène, fluor, sodium et magnésium
VII. L’ELEMENT CHIMIQUE
Cette étude nous a montré que l’élément oxygène O pouvait se trouver sous différentes formes : atome,
isotopes, ion.
a) Qu’y-a-t-il de comment entre ces 3 formes ?
b) Qu’est ce qui caractérise un élément chimique ?
c) Que peut-on dire de deux entités possédant le même numéro atomique ?
d) En est-ce de même pour deux entités possédant le même nombre de neutrons ? D’électrons ?