Le noyau atomique — composition et notation

Introduction — l'atome, brique élémentaire de la matière

Toute la matière est constituée d'atomes. Un atome est une entité extrêmement petite (rayon de l'ordre de $10^{-10}$ m, soit $0{,}1$ nm) composée de deux parties :

1. Un noyau central, très compact et chargé positivement.
2. Un cortège électronique constitué d'électrons en mouvement autour du noyau.

Ordre de grandeur : le rayon du noyau est environ $10^{-15}$ m, soit 100 000 fois plus petit que celui de l'atome. L'atome est essentiellement constitué de vide.

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Constitution du noyau

Le noyau contient deux types de particules appelées nucléons :

Particule	Symbole	Charge	Masse
Proton	$p$	$+e = +1{,}6 \times 10^{-19}$ C	$m_p \approx 1{,}673 \times 10^{-27}$ kg
Neutron	$n$	$0$ (neutre)	$m_n \approx 1{,}675 \times 10^{-27}$ kg

Remarque : le proton et le neutron ont quasiment la même masse ($m_p \approx m_n$). La masse du noyau est donc environ $A \times m_p$, où $A$ est le nombre total de nucléons.

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L'électron

L'électron est une particule de charge négative $-e$ qui se déplace autour du noyau :

Propriété	Valeur
Charge	$-e = -1{,}6 \times 10^{-19}$ C
Masse	$m_e \approx 9{,}109 \times 10^{-31}$ kg

Le rapport des masses est considérable :

$$\frac{m_p}{m_e} \approx 1836$$

Conséquence : la masse de l'atome est concentrée dans le noyau. Les électrons contribuent de manière négligeable à la masse totale.

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Notation symbolique du noyau

Un noyau (ou un atome) est représenté par la notation :

$$^A_Z X$$

Symbole	Nom	Signification
$X$	Symbole chimique	Identifie l'élément (H, C, O, Fe…)
$Z$	Numéro atomique	Nombre de protons dans le noyau
$A$	Nombre de masse	Nombre total de nucléons (protons + neutrons)

Le nombre de neutrons se déduit :

$$N = A - Z$$

Exemples

Atome	Notation	$Z$	$A$	Protons	Neutrons	Électrons
Hydrogène	$^1_1 H$	1	1	1	0	1
Carbone	$^{12}_{\phantom{0}6} C$	6	12	6	6	6
Oxygène	$^{16}_{\phantom{0}8} O$	8	16	8	8	8
Fer	$^{56}_{26} Fe$	26	56	26	30	26
Uranium	$^{238}_{\phantom{0}92} U$	92	238	92	146	92

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Neutralité électrique de l'atome

Un atome est électriquement neutre : la charge totale positive du noyau compense exactement la charge totale négative des électrons.

$$\text{Nombre de protons} = \text{Nombre d'électrons} = Z$$

Un atome de carbone ($Z = 6$) possède 6 protons et 6 électrons.

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Les isotopes

Définition

Des isotopes sont des atomes qui ont le même numéro atomique $Z$ (même élément chimique) mais des nombres de masse $A$ différents (nombre de neutrons différent).

Exemples — isotopes de l'hydrogène

Isotope	Notation	Protons	Neutrons	Nom usuel
Hydrogène	$^1_1 H$	1	0	Protium (hydrogène « léger »)
Deutérium	$^2_1 H$	1	1	Deutérium
Tritium	$^3_1 H$	1	2	Tritium (radioactif)

Exemples — isotopes du carbone

Isotope	Protons	Neutrons	Remarque
$^{12}C$	6	6	Le plus abondant (98,9 %)
$^{13}C$	6	7	Stable, abondance 1,1 %
$^{14}C$	6	8	Radioactif, utilisé pour la datation

Point essentiel : les isotopes d'un même élément ont les mêmes propriétés chimiques car ils possèdent le même nombre d'électrons. Leurs propriétés physiques (masse, stabilité nucléaire) diffèrent.

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Masse de l'atome

La masse de l'atome est pratiquement égale à la masse du noyau :

$$m_{\text{atome}} \approx m_{\text{noyau}} = A \times m_p$$

car $m_p \approx m_n$ et la masse des électrons est négligeable.

Application numérique

Masse d'un atome de carbone 12 :

$$m_{^{12}C} \approx 12 \times 1{,}673 \times 10^{-27} = 2{,}008 \times 10^{-26} \text{ kg}$$

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À retenir

• L'atome est constitué d'un noyau (protons + neutrons) et d'un cortège d'électrons.
• La notation $^A_Z X$ donne le numéro atomique $Z$, le nombre de masse $A$, et le nombre de neutrons $N = A - Z$.
• L'atome est électriquement neutre : nombre de protons = nombre d'électrons = $Z$.
• Des isotopes ont le même $Z$ mais des $A$ différents.
• La masse de l'atome est essentiellement celle de son noyau : $m \approx A \times m_p$.