I - CONSTITUTION DE L’ATOME

1) Particules:

La matière qui nous entoure est constituée d’atomes, c’est la plus petite particule capable, à l’état nanométrique, de conserver les propriétés de la matière.

On dit que la matière est quantifiée, ou discontinue car l’atome est constitué de particules élémentaires : le noyau et un cortège électronique.

Le noyau a un diamètre infiniment petit »10^-5nm. Il est constitué de nucléons : les protons (notés H ou p) et les neutrons (notés n). Le noyau concentre la quasi totalité de la masse de l’atome.

Cas des ions :

Dans un ion, il y a perte(cation) ou gain(anion) d’électrons, mais aucune modification des protons. Ainsi, les éléments ont tous le même noyau, ce sont les électrons qui gravitent autour qui sont en nombre différent.

Energies des nucléons :            E_proton = Charge ´ ddp = 1uca

E_neutron = 0 uca

Lecture des symboles :

Tous les éléments naturels sont constitués d’isotopes. Il en existe 3 en moyenne par élément. $ 109 éléments dans le tableau, $ donc 300 isotopes stables connus.

Masse atomique :

Masse atomique(Z) d’un élément = Moyenne des masses atomiques (Z) de tous les isotopes connus en tenant compte du pourcentage de leur présence dans l’atmosphère par rapport à l’ensemble des isotopes.

Exemple de l’oxygène :

Ainsi, la masse atomique de l’atome d’oxygène est :

m = 15,9949 ´ 99,76% + 16,9991 ´ 0,04% + 17,9991 ´ 0,20 %

m = 15,9993 uma

2) Stabilité du noyau :

On peut représenter le noyau par une sphère de 10^-5 nm de diamètre alors que celle de l’atome (noyau + cortège électronique) peut être représentée par une sphère de 10^-10 nm.

L’atome est donc principalement constitué de vide et toute la masse est concentrée dans un volume infiniment petit.

Pourquoi un tel système est stable ?

Quand deux charges sont en présence, $ des forces d’attraction et de répulsion, ce sont les forces Coulombienne, définies par la loi :

avec (1/(4pe₀) = 9´10⁹

F dépend de la distance (d) et des charges (q₁ q₂) de a et b.

Si F négative, les charges se repoussent, sinon elles s’attirent.

Cependant, $ d’autres forces sinon, les électrons (-) s’écraseraient sur le noyau (+).

Ces forces sont indépendantes de la charge des particules et existent qu’à très courte distance, elles s’exercent sur des dimensions de l’ordre du noyau :

3) Energie de liaison et de cohésion des noyaux :

Théorie de la relativité (Equation d’EINSTEIN) :

Les notions de masse et d’énergie reste toujours en adéquation :

Disparition de masse Û Ajout d’énergie

Disparition d’ énergie Û Ajout de masse.

D’où E = Dm´c²            (avec c = célérité de la lumière)

Dans les réactions classiques, l’énergie libérée ou nécessaire à la transformation est très faible, il n’y a donc pas de variation de masse notable.

Dans les réactions nucléaires, les énergies sont considérables et Dm devient mesurable.

Variations de masse :

Lorsque l’on crée un noyau, Dm est négative, Dm= disparition de masse = défaut de masse.

Dm = m_noyau – (Z m_p + Nm_n)

4) Energie de cohésion par nucléon :

L’énergie de cohésion B est fonction du nombre de nucléons (A) du noyau, plus ce nombre est grand, plus l’énergie de cohésion est grande, et donc plus le noyau est stable.

Pour connaître la stabilité d’un noyau, on calcule le rapport (énergie de cohésion)/(nombre de molécules (A) soit B/A)

Exemple de stabilité de différents noyaux: Plus le rapport B/A est grand, plus le noyau est stable.

Les noyaux les moins stables vont tendrent vers un état plus stable grâce à des réactions nucléaires :

Réaction nucléaire :

Pour une réaction quelconque du type : ^A1_Z1X₁ + ^A2_Z2X₂ ± ^A3_Z3X₃ + ^A4_Z4X₄ ,

il y a conservation du nombre de protons et de neutrons, donc :

A1 + A2 = A3 + A4             et            Z1 + Z2 = Z3 + Z4

1^er Exemple : Calculons l’énergie lors de la fusion d’un hydrogène et d’un tritium :

(principe de la bombe H ). La réaction est :

¹₁H + ³₁T ± ⁴₂He + E

Calculons la variation de masse : Dm= m_noyau - m_particules = 0,0211 uma

Calculons l’énergie dégagée pour chaque atome :

E = -0.0211 ´ 931,5 = -19,65 MeV

2^ème Exemple : Calculons l’énergie lors de la fission d’un atome d’uranium :

(principe de la bombe A). La réaction est :

Il s’agit d’une réaction en chaîne : un atome d’uranium réagit avec 1 neutron, et en propulse 3 qui vont pouvoir réagir avec 3 atomes d’uranium...

On donne :

masse de l’uranium: 235,044 uma               masse de l’antimoine (Sb) : 131,885 uma

masse du nuobium (Nb) : 100,911 uma            masse d’un neutron : 1,008665 uma

Calculons la variation de masse : Dm = m_Sb + m_Nb +3m_n – m_U – m_n = -0.23 uma

Calculons l’énergie dégagée pour chaque atome :

E = -0.23 ´ 931,5 = -214,2 MeV

(Rappel : 1 uma =1,66´10^-24g ).

Donc, E = -214,2 / (233,044´1,66´10^-24) = -5,488´10²³ MeV.g^-1

Energie d’un système stable < Energie d’un système instable, par conséquent, lors d’une fusion ou d’une fission, il y a libération d’énergie.                                          

II - LA MASSE ATOMIQUE :

On appelle masse atomique la masse d’un atome. Cependant, on ne peut pas isoler un atome seul pour le peser. Donc, par convention :

La masse d’un atome de carbone est donc = 1uma

1 mole de [Ar] 3s² 3p⁶ 4s² = 12 g

On retrouve donc :

Dans le tableau périodique, la masse atomique est sans unité :

Exemple : D’après le tableau : M_O = 15,994

Donc la masse d’un atome de O = 15,994 uma,

et la masse d’une mole de O = 15,994 g.

On peut aussi donner sa masse atomique qui est de 15,994/12 = 1,333 m_at.

^{Source : www.fvirtman.fr.st – Auteur : Fman}
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