Le noyau de l'atome : notation symbolique et isotopes

Le prérequis rappelle qu'un atome est fait d'un noyau (des protons chargés positivement et, sauf pour l'hydrogène1, des neutrons sans charge dans les noyaux ordinaires étudiés) entouré d'électrons chargés négativement, et qu'un atome neutre possède autant d'électrons que de protons. En seconde, on donne à ce noyau une carte d'identité chiffrée, assez précise pour distinguer deux atomes de carbone qui ont des masses différentes.

Pour identifier la composition en nucléons dans les situations étudiées, deux nombres entiers suffisent :

• le numéro atomique $Z$ : le nombre de protons du noyau ;
• le nombre de masse $A$ : le nombre de nucléons, c'est-à-dire le total des protons et des neutrons (le mot nucléon désigne toute particule du noyau, proton ou neutron).

Le nombre de neutrons, noté $N$, s'en déduit par soustraction :

On rassemble ces informations dans la notation symbolique du noyau :

où $\mathrm{X}$ est le symbole de l'élément, $A$ s'écrit en haut à gauche et $Z$ en bas à gauche. Par exemple, $^{12}_{6}\mathrm{C}$ désigne un noyau de carbone à $12$ nucléons, dont $6$ protons — donc $12 - 6 = 6$ neutrons.

Un élément chimique est l'ensemble des atomes (et des ions) qui possèdent le même numéro atomique $Z$. C'est $Z$, et lui seul, qui décide du nom : tout noyau à 6 protons est du carbone, quel que soit son nombre de neutrons.

Les isotopes. Deux noyaux peuvent avoir le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents. On dit que ce sont des isotopes : ils ont le même $Z$ et des $A$ différents. Le carbone naturel en offre l'exemple classique :

• $^{12}_{6}\mathrm{C}$ : 6 protons, 6 neutrons — environ 99 % dans la composition naturelle indicative retenue ;
• $^{13}_{6}\mathrm{C}$ : 6 protons, 7 neutrons — environ 1 % ;
• $^{14}_{6}\mathrm{C}$ : 6 protons, 8 neutrons — à l'état de traces ; son noyau est instable, ce qui permet la datation d'échantillons anciens (approfondissement possible dans les cours suivants).

Comme les isotopes d'un élément ont le même $Z$, leurs atomes neutres ont le même nombre d'électrons — et ce sont les électrons qui gouvernent les réactions chimiques. Conséquence essentielle : les isotopes d'un même élément ont généralement des comportements chimiques très proches dans les situations étudiées. Les différences de masse peuvent néanmoins modifier les vitesses de réaction et les équilibres : ce sont des effets isotopiques. La stabilité nucléaire peut également différer.

Où est la masse de l'atome ? Les masses des particules, mesurées avec une grande précision, sont :

Un proton a une masse environ 1 836 fois plus qu'un électron, et le neutron presque exactement autant que le proton. La masse de l'atome est donc concentrée dans son noyau : les électrons y contribuent pour moins d'un millième. D'où une approximation très utile, en notant $m_{\text{nucléon}} \approx 1{,}67 \times 10^{-27}$ kg la masse commune approchée du proton et du neutron :

Le nombre de masse $A$ compte les nucléons. La formule approchée néglige aussi la différence entre masses du proton et du neutron et le défaut de masse associé à la liaison nucléaire ; elle est adaptée à la précision de cet exercice, pas à une mesure précise de masse atomique. Attention, $A$ reste un nombre entier sans unité — ce n'est pas une masse.

On retient ici la composition naturelle indicative du chlore dominée par deux isotopes stables, $^{35}_{17}\mathrm{Cl}$ (environ 76 % des atomes) et $^{37}_{17}\mathrm{Cl}$ (environ 24 %). Ces proportions sont des valeurs arrondies : elles peuvent varier selon l'échantillon et ne nient pas la présence de traces d'autres isotopes. Étudions l'atome de chlore37. Donnée : $m_{\text{nucléon}} \approx 1{,}67 \times 10^{-27}$ kg.

1. Composition du noyau. La notation $^{37}_{17}\mathrm{Cl}$ se lit directement : $Z = 17$ protons et $A = 37$ nucléons. Le nombre de neutrons s'en déduit :

2. Cortège électronique. L'atome est électriquement neutre : il possède autant d'électrons que de protons, soit 17 électrons.

3. Pourquoi est-ce un isotope du chlore 35 ? Les deux noyaux ont le même numéro atomique $Z = 17$ — ce sont donc deux atomes de l'élément chlore — mais des nombres de masse différents ($35$ et $37$) : ils diffèrent par leur nombre de neutrons ($18$ contre $20$).

4. Masse approchée de l'atome. La masse est concentrée dans le noyau :

5. Vérifions que les électrons ne pèsent presque rien. Les 17 électrons pèsent ensemble $17 \times 9{,}11 \times 10^{-31} \approx 1{,}55 \times 10^{-29}$ kg, soit environ $0{,}03\ \%$ de la masse de l'atome : la faible masse électronique justifie de négliger cette contribution à la précision demandée. Cela ne mesure pas les autres erreurs de l'approximation nucléaire de l'étape4.

Chiffres significatifs : la donnée $1{,}67 \times 10^{-27}$ kg porte 3 chiffres significatifs, le résultat est donc donné avec 3 chiffres significatifs.

La figure présente deux panneaux, la lecture de la notation à gauche, la comparaison d'isotopes à droite.

• Panneau de gauche — décoder $^{35}_{17}\mathrm{Cl}$. La notation est écrite en grand. Une flèche part du $35$ (en haut) vers l'étiquette « $A$ : nombre de nucléons (protons $+$ neutrons) » ; une flèche part du $17$ (en bas) vers l'étiquette « $Z$ : nombre de protons ». En dessous, la soustraction posée en toutes lettres : « neutrons : $A - Z = 35 - 17 = 18$ ». Un bandeau rappelle : « atome neutre : $17$ électrons, autant que de protons ».
• Panneau de droite — chlore 35 et chlore 37 côte à côte. Deux noyaux schématisés (agrégats de disques : protons en trait plein marqués $+$, neutrons hachurés sans signe, distingués par leur texture et non par la seule couleur). Sous chacun, le décompte : $17$ protons / $18$ neutrons, puis $17$ protons / $20$ neutrons. Une accolade réunit les deux avec la mention « même $Z$ = même élément : isotopes ». Un second bandeau précise : « chimie proche, masses différentes ».
• Encadré en bas de figure : la règle générale $N = A - Z$, avec l'avertissement « on soustrait, on n'additionne jamais ».

Ce qu'il faut lire. La position des deux nombres n'est pas décorative : le haut compte tout le noyau, le bas n'en compte qu'une partie — c'est pourquoi le nombre du haut est toujours supérieur ou égal à celui du bas, et pourquoi les neutrons s'obtiennent par soustraction. Sur le panneau de droite, tout ce qui change d'un isotope à l'autre est le nombre de disques hachurés : le nombre de protons, lui, ne bouge pas, sinon on changerait d'élément.