4 : Le noyau atomique

# 4 : Le noyau atomique ## Séance 10 : Composition du noyau atomique ### Introduction Dans cette séance, nous allons plonger au cœur de l'atome pour explorer son noyau. Le noyau atomique est la partie centrale de l'atome, et c'est là que se concentre la quasi-totalité de sa masse et sa charge électrique positive. Comprendre sa composition est essentiel pour saisir les propriétés des éléments chimiques et de la matière. ### Concepts Clés #### 1. Rappel sur l'atome L'atome est constitué d'un noyau central et d'électrons qui gravitent autour de ce noyau. Les électrons sont des particules chargées négativement et de masse très faible. #### 2. Composition du noyau atomique Le noyau est lui-même composé de particules plus petites appelées nucléons. Il existe deux types de nucléons : * **Les protons :** Ce sont des particules chargées positivement. La charge d'un proton est appelée charge élémentaire et est notée \( +e \). * **Les neutrons :** Ce sont des particules électriquement neutres (sans charge électrique). Les protons et les neutrons ont des masses très similaires et sont environ 2000 fois plus lourds qu'un électron. #### 3. Numéro atomique (Z) * Le **numéro atomique**, noté \( Z \), représente le nombre de protons présents dans le noyau d'un atome. * C'est le numéro atomique qui caractérise un élément chimique : tous les atomes d'un même élément chimique ont le même nombre \( Z \). * Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, donc au numéro atomique \( Z \). #### 4. Nombre de masse (A) * Le **nombre de masse**, noté \( A \), représente le nombre total de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau. * On a donc : \[ A = Z + N \] où \( N \) est le nombre de neutrons. Ainsi, le nombre de neutrons peut être calculé par \( N = A - Z \). #### 5. Écriture symbolique d'un noyau Un noyau est symbolisé par la notation : \[ ^A_Z X \] * \( X \) est le symbole de l'élément chimique (par exemple, H pour Hydrogène, C pour Carbone). * \( A \) est le nombre de masse (nombre de nucléons). * \( Z \) est le numéro atomique (nombre de protons). #### 6. Isotopes * Les **isotopes** sont des atomes d'un même élément chimique (donc ayant le même nombre de protons \( Z \)) mais qui possèdent un nombre de neutrons \( N \) différent (et donc un nombre de masse \( A \) différent). * Exemple : Le carbone existe sous forme d'isotopes, comme le carbone-12 (\( ^{12}_6 C \)) et le carbone-14 (\( ^{14}_6 C \)). Ils ont tous deux 6 protons, mais le carbone-12 a 6 neutrons (12-6) et le carbone-14 en a 8 (14-6). #### 7. Charge électrique du noyau * La charge élémentaire, \( e \), a une valeur de \( e = 1.602 imes 10^{-19} C \) (Coulomb). * Étant donné que seuls les protons sont chargés et que chaque proton porte une charge \( +e \), la charge totale du noyau (\( Q_{noyau} \)) est : \[ Q_{noyau} = Z imes e \] #### 8. Masse de l'atome et du noyau * La masse d'un proton \( m_p \) est approximativement égale à la masse d'un neutron \( m_n \) (\( m_p \approx m_n \approx 1.67 imes 10^{-27} kg \)). * La masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons. * Par conséquent, la masse de l'atome est presque entièrement concentrée dans le noyau. On peut estimer la masse du noyau par : \[ M_{noyau} \approx A imes m_p \] ### Vocabulaire * **Atome :** La plus petite unité d'un élément chimique qui conserve les propriétés de cet élément. * **Noyau :** Partie centrale, dense et chargée positivement d'un atome, contenant les protons et les neutrons. * **Électron :** Particule élémentaire chargée négativement, gravitant autour du noyau. * **Proton :** Nucléon chargé positivement, situé dans le noyau de l'atome. * **Neutron :** Nucléon électriquement neutre, situé dans le noyau de l'atome. * **Nucléon :** Terme générique désignant les protons et les neutrons. * **Numéro atomique (Z) :** Nombre de protons dans un noyau, définissant l'élément chimique. * **Nombre de masse (A) :** Nombre total de nucléons (protons + neutrons) dans un noyau. * **Isotope :** Atomes d'un même élément chimique ayant le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent. * **Charge élémentaire (e) :** Plus petite quantité de charge électrique libre, celle d'un proton (\( +e \)) ou d'un électron (\( -e \)). ### Exemples #### Exemple 1 : Analyse d'un symbole nucléaire Considérons le noyau de sodium, symbolisé par \( ^{23}_{11} Na \): * **Numéro atomique \( Z \) :** 11. Cela signifie qu'il y a 11 protons dans le noyau. Puisque l'atome est neutre, il y a aussi 11 électrons. * **Nombre de masse \( A \) :** 23. Cela signifie qu'il y a 23 nucléons au total (protons + neutrons). * **Nombre de neutrons \( N \) :** \( N = A - Z = 23 - 11 = 12 \). Le noyau de sodium contient donc 12 neutrons. #### Exemple 2 : Calcul de la charge du noyau Pour le noyau de sodium (\( Z=11 \)) : La charge du noyau est \( Q_{noyau} = Z imes e = 11 imes 1.602 imes 10^{-19} C \). \[ Q_{noyau} \approx 1.762 imes 10^{-18} C \] #### Exemple 3 : Identification d'isotopes Les noyaux \( ^{16}_8 O \) et \( ^{18}_8 O \) sont des isotopes de l'oxygène. * Ils ont le même nombre de protons (\( Z=8 \)). * Le premier a \( 16-8=8 \) neutrons, tandis que le second a \( 18-8=10 \) neutrons. Ils diffèrent par leur nombre de neutrons. ### Exercices 1. Donnez le nombre de protons, de neutrons et d'électrons pour l'atome de chlore \( ^{35}_{17} Cl \). 2. Calculez la charge électrique du noyau de l'aluminium \( ^{27}_{13} Al \). 3. Les noyaux suivants sont-ils des isotopes ? Justifiez votre réponse. * \( ^{40}_{19} K \) et \( ^{39}_{19} K \) * \( ^{235}_{92} U \) et \( ^{238}_{92} U \) * \( ^{14}_7 N \) et \( ^{14}_6 C \) ### Devoirs à la maison 1. L'atome de fer a pour symbole \( ^{56}_{26} Fe \). a. Quel est son numéro atomique ? Son nombre de masse ? b. Combien de protons, de neutrons et d'électrons contient-il ? c. Calculez la charge de son noyau. 2. Recherchez et donnez la composition (nombre de protons, neutrons) des trois isotopes de l'hydrogène : protium, deutérium et tritium. Écrivez leur symbole nucléaire. ### Résumé Le noyau atomique est la partie centrale de l'atome, constitué de protons (chargés positivement) et de neutrons (neutres), collectivement appelés nucléons. Le numéro atomique \( Z \) indique le nombre de protons et définit l'élément chimique. Le nombre de masse \( A \) correspond au nombre total de nucléons. La notation \( ^A_Z X \) permet de représenter un noyau. Des atomes d'un même élément avec un nombre de neutrons différent sont appelés isotopes. La charge du noyau est \( Z imes e \), et sa masse est approximativement \( A imes m_p \).