Étude documentaire

2 EN 7 septembre 2005
PhG-Chimie
ÉTUDE DOCUMENTAIRE
Le texte proposé ci-dessous est un extrait d'un livre de Georges CHARPAK
1
[1].
«Lorsque j'entrai au Laboratoire dirigé par Joliot
2
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 signe opposé à la charge des électrons qui gravitent autour du noyau. La masse d'un atome
est concentrée dans le noyau. [...]
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 de la périphérie, se
trouve un cortège qui est fait de charges électriques négatives, 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».
Georges CHARPAK
Extrait du livre «La vie à fil tendu»
a) Renseigner le tableau après lecture du texte de G. Charpak (vous pouvez utiliser des locutions
telles que "opposé à", "presque comme", autant que"...).
Particule
Où ?
Charge
Masse
Combien ?
b) Proposer un titre à cet extrait.
[1] G. CHARPAK : «La vie à fil tendu», Éditions O. Jacob, 1993, pp.139-141.
1
Georges CHARPAK est un physicien français d'origine polonaise né en 1924. Il devient Nobel de physique en
1992, pour ses travaux sur la détection des particules (les chambres proportionnelles multifils).
2
Frédéric JOLIOT-CURIE (1900-1958) est un physicien français. En compagnie de sa femme Irène JOLIOT-CURIE (1897-
1956), il obtient le prix Nobel de chimie 1935, pour leur découverte de la radioactivité artificielle.

LA STRUCTURE DE L'ATOME
I- ÉTUDE DOCUMENTAIRE
Tableau compléter uniquement avec les informations extraites du texte.
particules du noyau
Particule
électron
proton
neutron
Où ?
autour du noyau
noyau
noyau
Charge
négative (opp. charge du
proton)
positive (opp. charge de
l'électron)
0
Masse
négligeable
presque comme le
neutron
presque comme le
proton
Combien ?
autant que de protons
autant que d'électrons
?
Tableau avec quelques données complémentaires
nucléons
Particule
électron
proton
neutron
Où ?
autour du noyau
noyau
noyau
Charge
charge élémentaire – e
charge élémentaire e
0
Masse
mélectron<< mnucléon
mproton = mneutron =1836.mélectron
Combien ?
Z
Z
A – Z
II- CONSTITUTION DE L'ATOME
Un atome est constitué d'un noyau autour duquel "gravitent" des électrons.
1- Le noyau
Le noyau d'un atome est composé de nucléons : les protons et les neutrons.
Proton : mp 1,67 . 10 – 27 kg
charge électrique : e = 1,609 . 10 – 19 C
Neutron : mn 1,67 . 10 – 27 kg
charge électrique nulle.
Le nombre de protons est le numéro atomique Z.
Le nombre de nucléons (protons et neutrons) est le nombre de masse A.
 Le coulomb de symbole C est l'unité de quantité d'électricité.
 e est une charge élémentaire (on n'a pas encore trouvé plus petit).
2- Les électrons
Masse : me- = 0,91 . 10 – 30 kg Charge électrique : – e = – 1,609 . 10 –19 C
La masse de l'électron est négligeable devant celle d'un nucléon.

2 EN 7 septembre 2005
PhG-Chimie
L'électron a une masse 1836 fois plus faible que celle d'un nucléon.
La charge d'un électron est une charge élémentaire négative.
L'électron est en mouvement incessant autour du noyau mais on ne sait pas quelle est sa
trajectoire.
La notion de trajectoire n'a pas de sens pour un électron à l'intérieur d'un atome. On peut juste
déterminer la probabilité de présence de l'électron en un point.
L'analogie du joueur de dé :
Le joueur ne peut pas prévoir avec certitude le résultat d'un lancer, de même que l'on ne peut
pas affirmer que l'électron est en un point donné.
Mais de même que le joueur peut affirmer que la probabilité de tirer un 4 est de 1/6 (1
chance sur 6), le chimiste quantique peut calculer la probabilité de trouver l'électron au
voisinage d'un point choisi.
Ainsi, pour l'atome d'hydrogène, la probabilité de trouver l'électron à l'intérieur d'une sphère de
rayon r = 2,97.10 – 10 m est de 0,999, soit 1 chance sur 1000 de le rencontrer à l'extérieur de cette
sphère.
3- L'atome
 Chaque atome est constitué d'un noyau chargé positivement et
d'électrons chargés négativement.
Le nombre d'électrons est égal au nombre de protons du noyau.
L'atome est électriquement neutre.
 La masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons. L'essentielle de la masse
d'un atome est concentrée dans son noyau.
La masse de l'atome est pratiquement égale à celle de son noyau.
 La "sphère", attention il s'agit d'une modélisation, dans laquelle se déplacent les électrons
détermine l'encombrement de l'atome. L'encombrement des atomes est celui d'une sphère
de quelques 10 – 10 m de diamètre, en général 2 ou 3 10 – 10 m.
Dans cette représentation, le diamètre du noyau est environ dix mille fois plus petit que celui de
l'atome.
Entre les électrons et le noyau, il n'y a que le vide. L'atome a un caractère lacunaire.
Exemple : l'atome d'hydrogène possède un proton et un électron.
L'électron et le proton, assimilés à des sphères, ont des rayons
de l'ordre de 10 – 15 m.
La "sphère" modélisant l'atome a un rayon d'environ 5.10 – 11 m.
Une bille dans une sphère englobant un terrain de football !!
n +
n –

4- Les isotopes
Les atomes dont les noyaux contiennent le même nombre de proton (Z protons) mais un nombre
différent de neutrons sont des isotopes.
Les isotopes d'un élément ont le même numéro atomique Z mais un nombre de masse A
différent.
Exemple d'isotopes :
l'hydrogène ordinaire
H
1
1
le deutérium
H
2
1
le tritium
H
3
1
carbone 12
C
12
6
(98,9 %) carbone 13
C
13
6
(1,1 %) carbone 14
C
14
6
oxygène 16
O
16
8
oxygène 17
O
17
8
oxygène 18
O
18
8
Remarque : l'ensemble des atomes dont le noyau possède le même couple (Z, A) est un nucléïde.
L'atome étant électriquement neutre, les isotopes d'un même élément ont le même nombre
d'électrons.
Les isotopes peuvent être stables ou instables. Ce sont les isotopes instables qui donnent lieu à une
désintégration radioactive.
Exemple : l'uranium naturel est composé est composé de trois isotopes radioactifs émettant
tous des rayons alpha (particule composée de 2 p et 2 n) :
99,28 % d'uranium 238, 0,71 % d'uranium 235 (92 p, 143 n) et 0,006 % d'uranium 234.
L'uranium 235 se prête beaucoup mieux à la fission que les deux autres.
L'univers contient environ 10 78 noyaux répartis entre quelques 300 nucléïdes. Plus d'un millier
d'autres ont été préparé dans des laboratoires de physique nucléaire.
III- RÉACTIONS CHIMIQUES – RÉACTIONS NUCLÉAIRES
Les réactions chimiques ne perturbent jamais le nombre de nucléons.
Au cours d'une réaction chimique, seuls les électrons interviennent.
Un ou plusieurs électrons peuvent même être arrachés ou rajoutés. L'édifice n'est alors plus
électriquement neutre mais les nombres A et Z sont conservés.
Il y a conservation des éléments.
Les réactions nucléaires perturbent le noyau : en général il y a transmutation c'est-à-dire
apparition d'éléments nouveaux.
Exemple : le choc entre un noyau d'hélium
He
4
2
et un noyau d'azote
N
14
7
peut donner un noyau
d'oxygène
O
17
8
et un noyau d'hydrogène
H
1
1
.