Chapitre 10 : Un modèle pour l`atome

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Thème n°2 : l’Univers 1
Introduction Qu’est-ce qu’un modèle en sciences ?
En sciences physiques, un modèle est une représentation de la réalité. Ce n'est donc pas la réalité.
• Un modèle doit posséder deux vertus :
- Permettre d'expliquer les propriétés observées.
- Permettre de prévoir d'autres propriétés non encore observées.
• Un modèle est en permanente évolution puisque de nouvelles découvertes sont susceptibles de le mettre
en défaut (ex : le modèle du big-bang).
I. Un modèle de l’atome
I.1. Le modèle de Bohr (1913)
Voir Activité d’introduction :
⇒ Nous avons vu l’évolution des modèles de l’atome au fil de l’Histoire. Nous resterons sur le modèle de Bohr ,
suffisant pour le niveau de Seconde.
I.2. Le modèle actuel de l’atome
On l’appelle « modèle probabiliste » : les électrons ne sont plus des particules
localisées, mais elles peuvent être représentées comme des ondes. L’électron
peut être modélisé par un « nuage électronique ».
Ex : atome d’hydrogène, avec 1 seul électron (voir schéma ci-contre)
Un atome est donc constitué d’un
noyau
(électriquement chargé
positif
) et d’
électrons
(électriquement chargés
négatif) en mouvement autour du noyau.
I.3. Caractéristiques de l’atome
Le noyau est assimilé à une boule dense constituée de nucléons et dont le diamètre vaut dn ≈
≈≈
≈10-15
m (1 femtomètre = 1 fm).
L’atome est assimilé à une sphère délimitée par les nuages d’électrons en mouvement. L’atome a
un diamètre da ≈
≈≈
≈ 10-10 m. (=0,1 nm)
L’atome est donc
10
5
fois
(100 000 fois) plus grand que son noyau.
L’atome est donc essentiellement constitué de vide (1911, Rutherford)
On dit que l’atome a une structure lacunaire (fait de vide).
Voir exercice « Expérience de Rutherford »
Chapitre 10 : Un modèle pour l'atome

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Thème n°2 : l’Univers 2
I.4. Electroneutralité de l’atome
Le noyau comporte Z protons de charge électrique +e. Sa charge électrique totale est : Qnoyau = Z.e
Le nuage électronique comporte Z électrons de charge électrique –e. Sa charge électrique totale est Qnuage = – Z.e.
De telle sorte que la charge électrique totale de l'atome est nulle. Qatome = 0
Z représente donc aussi le nombre d'électrons, mais uniquement pour un atome (pas pour un ion).
L'atome est un édifice électriquement neutre.
I.5.Masse d’un atome
Nous verrons (III. du cours) que les électrons ont une masse négligeable devant celle des nucléons. Nous pouvons
donc considérer avec une très bonne approximation que la masse de l'atome est pratiquement égale à la masse
de son noyau. La masse de l'atome X pourra donc s’écrire :
m(X) = A.mp (mp = mn)
II. Le noyau de l’atome
II.1. Constitution du noyau
Le noyau de l'atome est constitué particules, appelées nucléons (nucléo … noyau) :
- les protons (chargés positivement)
- les neutrons (électriquement neutres).
Les valeurs données dans le tableau ne sont pas à retenir. Elles seront données en exercice.
En revanche, on retiendra que :
- la charge électrique portée par le proton est notée e et appelée : charge élémentaire et s’exprime en Coulomb (C)
- la masse du proton et celle du neutron sont sensiblement égales.
II.2. Notation du noyau
On convient de représenter le noyau d'un atome par le symbole : A
Z
X
avec
A : nombre de nucléons
Z: nombre de protons
• Z est aussi appelé le numéro atomique. C’est le nombre de protons qu'il contient.
• A est aussi appelé le « nombre de masse ». C’est le nombre de nucléons qu'il contient, c’est à dire le
nombre de protons + nombre de neutrons du noyau.
• X représente le symbole de l’élément.
Ex : O: oxygène, Cl: chlore, N: azote.
Nom Charge Q Masse m
Proton e ≈1,6.10
-
19
C m
p
≈1,67.10
-
27
kg
Neutron 0 m
n
≈
1,67.10
-
27
kg

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Thème n°2 : l’Univers 3
III. Electrons de l’atome
III.1. Propriétés de l’électron
Charge Masse
Electron –e
≈
–1,6.10
-
19
C m
e
≈
9,1.10
-
31
kg
Il n'est pas nécessaire de retenir la valeur de la masse de l'électron.
Mais il est utile de savoir que cette masse est beaucoup plus petite que celle d'un nucléon (environ 2000 fois plus
petite) ce qui nous autorise à négliger la masse des électrons devant celle des nucléons.
La masse
m
e
de l’électron
est négligeable devant
la masse
m
p
du proton ou celle
m
n
du neutron.
III.2. Répartition des électrons en couches
Un atome quelconque possède Z électrons dans son cortège électronique. Les électrons
d'un atome quelconque se répartissent en couches autour du noyau.
Les électrons d'un atome (ou d'un ion monoatomique) ne sont pas tous liés de la même
façon au noyau. Ceux qui sont proches du noyau y sont très liés (par des forces), ceux
qui en sont plus éloignés y sont moins liés.
La couche la plus proche du noyau est notée K (écriture qui vient de l’allemand où
« ker » signifie noyau … i.e. plus proche du noyau), les suivantes sont notées dans
l'ordre croissant d'éloignement : L, M, ....
En Seconde, nous ne considérerons que les trois premières couches (K, L et M).
III.3. Règles de remplissage des couches
 Etat fondamental
Les règles de répartitions données ci-dessous concernent ce que nous appellerons l'atome dans son état
fondamental. C’est l’état physique de plus basse énergie. C'est la seule répartition à connaître dans le programme
de la classe de seconde.
 Couche externe
La couche la plus éloignée du noyau qui contient des électrons est appelée couche externe (ou couche de valence).
Les électrons de cette couche externe sont appelés électrons périphériques (ou électrons de valence).
 1ère règle (de remplissage)
Une couche électronique ne peut contenir qu’un nombre limité d’électrons.
La couche K (première couche) peut contenir un maximum de 2 électrons (c'est-à-dire qu'elle peut contenir 0; 1
ou 2 électrons).
La couche L (deuxième couche) peut contenir un maximum de 8 électrons (c'est-à-dire qu'elle peut contenir 0;
1;...; 7 ou 8 électrons).
La couche M (troisième couche) peut contenir un maximum de 8 électrons (seulement pour les éléments tels que
Z<18).
Remarque : lorsqu'une couche est pleine on dit qu'elle est saturée.
 2ème règle (de remplissage)
Le remplissage des couches électroniques s’effectue en ordre : en commençant par la couche K.
Lorsqu’elle est saturée on remplit la couche L, puis à la couche M, et ainsi de suite.

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Thème n°1 : l’Univers 4
III.4. Structure (ou répartition) électronique d’un atome
Les règles de remplissage précédentes permettent d'établir la répartition électronique (ou structure électronique)
d'un atome ou d'un ion atomique de la façon suivante :
1) On détermine le nombre d'électrons à repartir (Z électrons pour un atome).
2) On écrit, côte à côte et entre parenthèses, les lettres de chaque couche contenant des électrons.
3) On indique, en haut et à droite de chaque parenthèse, le nombre d'électrons présents dans la couche
considérée.
Ex : Atome de carbone Z = 6.
Le noyau de cet atome possède donc 6 protons. Cet atome étant neutre, il possède 6 électrons à répartir.
En utilisant les règles précédentes, on établit la formule électronique du carbone. Soit : (K)2 (L)4.