l’atome - Université du Temps Libre du Pays de Morlaix
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l’atome
La
Radio
acti
vité
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.
Puissance 10
Historique Antiquité : philosophe grec: Démocrite: idée d’une partie de matière insécable
1895 - Les rayons X - Rœntgen (A)
1896 - découverte de « rayons » émis par des sels d'Uranium - H. Becquerel (F)
1898 – découverte du Polonium puis du Radium - P. et M. Curie (F)
1899 – Rutherford élabore une théorie du phénomène radioactif
1915 - Structure de l'atome - Bohr (D) noyau, protons , électrons
1932 –Chadwick met en évidence le neutron
1934 - La radioactivité artificielle - F. Joliot et I. Curie (F)
1938-39 - La fission de l'Uranium - Hahn, Strassmann, Meitner (A)
1939 - La réaction en chaîne - brevet Joliot et Kowarsky (F)
1942 -la pile atomique de Fermi (Chicago)
1945 – l’arme atomique
1948 - La pile ZOE (REA) (F - EL1) 1952 - Pile expérimentale (F - EL2)
1957 - Pile expérimentale (F - EL3)
1956 Marcoule (kWh nucléaire) (F - G 1)
1966 Brennilis (F- EL4)
Futur: La fusion - ( le soleil sur terre) TOKOMAK et ITER
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R/d environ 10 000
d
L’atome
Modèle de
Niels BOHR
un noyau
R environ 1 angström = 10-10 m = 0,1 nanomètre
= 1/10 de milliardième de mètre
des électrons
L’atome
d’hydrogène
e-
1 électron -
1 proton +
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Proton
1 charge +
Neutron
Charge 0
1 proton +
1 électron
1 charge -
Exemple d’atome simple
2 protons ++
2 neutrons
2 électrons - -
Électron
Charge -
Au centre un noyau constitué de protons
et de neutrons
Des électrons gravitent autour du noyau
sur des orbites
La charge électrique du noyau est
positive.
La charge des électrons est négative et
opposée.
Les forces sont de nature électrique.
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Le proton, le neutron ??
La mécanique quantique
Congrès Solvay de 1927 sur la mécanique quantique. de gauche à droite : - Auguste Piccard, X, X, X, X, Erwin Schrödinger,X, X, Werner Heisenberg, X, Léon Brillouin, X - X, X, X, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, X, Niels Bohr, - Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, X,X,X
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1 proton peut se transformer en 1
neutron avec éjection d’un électron de
charge positive et d’un neutrino
(radioactivité Béta plus)
1 proton qui a une charge positive +
et reçoit une charge e - devient 1
neutron en libérant 1 neutrino
1 électron qui s’en va de l’atome :
radioactivité Beta moins
La dimension de chaque atome s’exprime
en ANGSTRÖM 1/10 milliardième de mètre
La dimension de l’atome est de l’ordre de l’angström.
C’est la dimension des orbites électroniques mais le noyau est
10 000 fois plus petit.
Chaque atome a ses dimensions bien particulière
Le plus petit de 0,3 angström
Les plus grands 3 angströms
1 angström = 10-10
m = 0,1 nanomètre
= 1/10 de milliardième de mètre
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La Structure électronique de l’atome est en
couches déterminées par la mécanique
quantique
Dans l’ordre de remplissage K,L,M, N, O ….
K
L
M
Les électrons sont répartis selon des couches
définies par la mécanique quantique
K
L
M
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Atome de fluor
Entre chaque couche et sous
couche pour chaque atome,
des différences de niveau
d’énergie. Les électrons vont
« sauter » spontanément ou
sous l’effet d’un « chocs
externe », d’une sous-couche
et couche libérant une
énergie caractéristique de
chaque atome représentée ici
par des vecteurs. Chaque
longueur de vecteur
correspond à une énergie
précise libérée à chaque saut
d’électron qui se réarrange
d’une sous-couche ou couche
à une autre.
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On a vu le noyau le plus simple, l’Hydrogène.
Le noyau le plus lourd existant naturellement est
l’uranium : 92 protons et 146 neutrons; on peut dire
Uranium 238 (92 + 146) , mais il existe aussi
uranium 235 (143 neutrons), uranium 234 (142
neutrons), toujours 92 électrons …
Ces Uranium sont nommés isotopes de l’Uranium…
Il existe, ou on peut fabriquer, de nombreuses
combinaisons de nombre de protons et de nombre de
neutrons mais celles-ci seront plus ou moins stables
selon le « nuage » ci-dessous; en noir les plus stables,
moins stable quand le rapport neutron / proton s’écarte
de la zone médiane noire
Nb de neutrons
Nb de protons
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Numéro atomique : c’est le nombre de protons du noyau
Il caractérise un élément en chimie H =1, O=8, C= 6, U =92…. )
Masse atomique: cette notion permet de faire la relation entre
l’échelle atomique et notre échelle de perception habituelle.
Par convention on prend la masse du noyau d’hydrogène (un
proton) masse 1 ; le neutron a aussi une masse atomique de 1
La masse atomique d’un atome est la somme du nombre de
protons et de neutrons (Uranium 238 (92 + 146) .
Pour l’écriture la lettre est le symbole atomique de l’élément,
le chiffre en bas à gauche est le numéro atomique
Le chiffre en haut à gauche est la masse atomique nombre de
proton plus nombre de neutron : mais comme U pour uranium
est nécessairement 92 on dit aussi uranium 238 et même
parfois U8
H
1
1 U n 0
1 238
92 O 8
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Neutron hydrogène oxygène uranium
• On parle de la notion d’atome-
gramme directement liée à la masse
atomique. Le nombre d’atomes dans
un atome gramme est de 6,02. 10
puissance 23 : 6,02. 1023
: c’est le
nombre d’Avogrado.
• Il en est ainsi pour tous les « atomes
-gramme): 1 gramme d’hydrogène
contient 6,02 .1023
atomes élémentaires
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Les associations d’atomes dépendent des électrons de la
couche externe de chaque atome et de forces électriques
correspondantes., on est dans le domaine des réactions
chimiques atomes, molécules, chaines de molécules
-l’hydrogène 1 (une couche K) et l’oxygène 8 (une couche K
complète à 2 et une couche L à 6 associent leurs
électrons périphériques (hydrogène manque 1 e - et
oxygène manque 2 e- dans sa dernière couche
périphérique)
-les gaz « rares » ou neutres chimiquement: couche
extérieure complète : K 2(He), K2 L 8 (Ne),K2L8M16Ar etc
-Ceci conduit au classement des éléments de la matière dit
Tableau périodique ou Tableau de Mendeleïev; les
éléments d’une même colonne ont les mêmes propriétés
chimiques(valence).
L’hydrogène a un électron périphérique, il en manque UN à
l’hydrogène pour sa couche périphérique ; il en manque DEUX
à l’oxygène pour compléter sa couche périphérique à 8 donc
deux électrons d’hydrogène en commun, pour faire une
molécule d’eau H2O
H H
O
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à suivre les Lavoisides
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lanthanides
actinides
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Molécule? Molécule gramme?
Les atomes s’associent pour former des molécules :
Hydrogène H et oxygène O s’associent pour former de l’eau mais il faut
deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène on écrit
H2 + O donne H2O
H: 1 proton et O: 8 protons et 8 neutrons donnent O16
Pour revenir à notre échelle on rappelle la convention de l’atome-gramme
d’H qui est de un g . L’atome gramme d’oxygène sera: O 16 : 8 protons et 8
neutrons donc 16 g soit en poids d’une mole-gramme d’eau : 2g + 16g =18 g
La molécule gramme (mole) de gaz oxygène O 2 (16+16 =32g) dans les
conditions « normales » de température et de pression occupe un volume
de 22,4 litres. Le nombre de molécule élémentaire correspondant à une mole est de 6,023
x 10 puissance 23,
et ainsi quel que soit le gaz. On retrouve le nombre d’Avogadro
6,023 x 10 puissance 23
Une mole-gramme d’eau fera :
2g d’hydrogène H2 + 16g d’oxygène O =18 g Il y a toujours le même nombre de molécules dans des volumes égaux de
gaz différents pris dans les mêmes conditions de température et de
pression.
Notion d’isotope
Prenons l’exemple du chlore naturel; le numéro atomique du
chlore est de 17 (17 protons dans le noyau).
Selon les définitions précédentes les éléments du tableau
devraient avoir une masse atomique (neutrons plus protons)
«nombre entier »; hors mesurés précisément les chiffres s’en
éloignent parfois notablement:
Pour le chlore naturel on trouve 35,5 pourquoi? En fait il y a
plusieurs « variétés » de chlore stable dans la nature:
Le chlore 35 d’abondance naturelle de 75,76 %
Le chlore 37 d’abondance naturelle de 24,24%
Le chlore 35 a 18 neutrons dans le noyau
Le chlore 37 a 20 neutrons dans le noyau
Au point de vue chimique ils ont les mêmes propriétés mais au
point de vue physique et surtout nucléaire ça change tout . Il
s’agit d’isotopes naturels du chlore.
C’est une notion essentielle pour la radioactivité
On parlera du chlore 35 et du chlore 37
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Isotopes naturels de l’Hydrogène
Deutérium
Hydrogène
Tritium
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L’abondance relative des isotopes
naturels est utilisée pour des études
en paléontologie, paléoclimatologie
car ce rapport a pu varier dans le
temps et dans l’espace , sur la Terre
(volcanologie) ou pour démontrer
l’origine de matériaux extérieurs au
système solaire (météorites)
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Les puissances de 10
1 10 10² 10³ 106
1 10 100 1 000 1 000 000
1 déca hecto kilo méga
d h k M
à suivre Giga (G) 109 Tera (T) 10
12
1/10 1/100 1/1000
déci centi milli
m
à suivre micro(μ) 10-6
nano (n) 10-9
pico (p) 10-12
Exposant unité Abréviation
+12 Téra T
+ 9 Giga G
+ 6 Méga M
+ 3 Kilo K
0 Unité de base légale
-3 - 6
milli micro
M μ
-9 -- 12
nano pico
N p
Écriture lecture et expression des puissances de 10
m
n
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Les couches limitées comme ci-dessus en nombre
d’électrons, sont subdivisées en sous couches s,p,d,f , elles
mêmes limitées selon la théorie quantique:
s 2 électrons couche K 2 =2
p 6 couche L 2+6 = 8
d 10 couche M 2+6+10 = 18
f 14 couche N 2+6+10+14 = 32
etc
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