La structure de l'atome : un noyau, des électrons, et du vide

Toute la matière qui t'entoure — l'air, l'eau, le fer d'un clou, ta propre main — est faite de grains extrêmement petits, tous construits sur le même plan. Ces grains s'appellent des atomes.

Un atome est constitué d'un noyau central, très petit et très lourd, autour duquel se déplacent des électrons.

Un noyau contient des protons et généralement des neutrons ; le noyau d'hydrogène 1, constitué d'un seul proton, fait exception. Les deux sortes de nucléons sont :

• les protons, qui portent chacun une charge électrique positive ;
• les neutrons, qui ne portent aucune charge électrique — d'où leur nom.

Les électrons, eux, portent chacun une charge électrique négative. Pour éviter de répéter « les protons et les neutrons », on appelle nucléons les particules du noyau, quelles qu'elles soient : un nucléon est donc soit un proton, soit un neutron.

Le nombre de protons est la carte d'identité de l'atome. On l'appelle le numéro atomique et on le note $Z$. C'est lui, et lui seul, qui décide de quel élément chimique il s'agit : un noyau à 6 protons est du carbone, un noyau à 8 protons est de l'oxygène. Change le nombre de protons, tu changes d'élément.

Un atome est électriquement neutre. Ce n'est pas une propriété mystérieuse, c'est un comptage : l'atome possède exactement autant d'électrons que son noyau compte de protons. Autant de charges $+$ que de charges $-$, le bilan est nul.

Dans un atome : nombre d'électrons $=$ nombre de protons $= Z$.

Et surtout : un atome est presque entièrement vide. Voici les deux ordres de grandeur à connaître, ceux du programme :

Le noyau est donc environ 100 000 fois plus petit que l'atome. Le noyau occupe une part minuscule du volume atomique : on parle de structure lacunaire. Les électrons occupent un volume autour du noyau ; ils ne sont pas fixés sur une coque matérielle. Si tu grossissais un atome jusqu'à la taille d'un stade de football, son noyau ne serait pas plus gros qu'une tête d'épingle posée au centre du terrain — cette comparaison illustre seulement l'écart des ordres de grandeur, pas des trajectoires d'électrons.

C'est déroutant, parce qu'un clou paraît bien solide. Mais la solidité d'un clou ne vient pas d'atomes « pleins » : elle vient des forces électriques qui tiennent ces atomes accrochés les uns aux autres.

1. Presque toute la masse de l'atome est dans le noyau. Un proton et un neutron ont des masses très proches l'une de l'autre. Un électron, lui, est près de 1 800 fois plus léger qu'un proton. Conséquence : quand tu pèses un atome, tu pèses principalement son noyau ; les électrons ne comptent presque pour rien dans le total.

Retiens la hiérarchie plutôt que les nombres :

Le noyau occupe une part minuscule du volume de l'atome, mais il en concentre presque toute la masse.

Remarque de niveau : le rapport de la masse du proton à celle de l'électron vaut environ $1\,836{,}15$. Cette valeur n'est pas exigible en 4e, et les calculs de masse d'atome en grammes ne sont pas demandés ici : on se contente de compter les particules.

2. Chaque élément a un symbole. Un symbole chimique est une abréviation internationale d'un nom d'élément : une majuscule seule, ou une majuscule suivie d'une minuscule. Jamais deux majuscules.

Cette table ne se retient pas par cœur. Elle se lit dans la classification périodique des éléments, ce tableau fourni avec le sujet où chaque case porte le symbole, le nom et le numéro atomique de l'élément. Savoir y retrouver un élément à partir de son nom, et l'inverse, fait partie du programme ; mémoriser les valeurs de $Z$, non.

3. Les atomes s'assemblent en molécules. Les atomes restent rarement seuls : ils s'accrochent les uns aux autres.

Une molécule est un groupe d'atomes liés entre eux, qui se déplacent ensemble comme un seul objet.

On la décrit par sa formule chimique : les symboles des éléments présents, chacun suivi d'un indice — le petit nombre écrit en bas à droite — qui compte les atomes de cette sorte dans une molécule. Un indice absent vaut 1.

Une molécule d'eau n'est donc pas « un atome H₂ et un atome O » : il n'existe aucun atome qui s'appellerait « H₂ ». Il y a trois atomes, deux d'hydrogène et un d'oxygène.

4. Molécule ou atome isolé ? Certaines espèces chimiques ne sont pas des molécules. Un morceau de fer est un empilement d'atomes de fer, sans molécule : sa formule s'écrit simplement $\mathrm{Fe}$. Le carbone des réseaux du graphite ou du diamant s'écrit $\mathrm{C}$. En revanche, le dioxygène de l'air respiré est constitué de molécules $\mathrm{O_2}$ : deux atomes d'oxygène liés.

5. Ce que tu verras plus tard. Un atome peut perdre ou gagner des électrons : il devient alors un ion, chargé électriquement — c'est une autre leçon de ce parcours. La façon dont les électrons se rangent autour du noyau, et l'écriture symbolique qui superpose le nombre de nucléons et le numéro atomique devant le symbole, s'étudient en seconde. En 4e, on s'en tient à l'atome neutre et au comptage de ses particules.

Partie A — l'atome d'aluminium. Données : le numéro atomique de l'aluminium vaut $Z = 13$ ; le noyau étudié contient 14 neutrons.

1. Combien de protons ? Le numéro atomique est le nombre de protons du noyau :

Le noyau contient donc 13 protons.

2. Combien d'électrons ? L'atome est électriquement neutre : il possède autant de charges négatives que de charges positives, donc autant d'électrons que de protons.

L'atome d'aluminium possède 13 électrons.

3. Combien de nucléons ? Les nucléons sont les particules du noyau : les protons et les neutrons. On additionne.

Le noyau contient 27 nucléons.

4. Où est la masse ? Les 27 nucléons sont dans le noyau ; les 13 électrons occupent l'espace autour du noyau, et chacun est près de 1 800 fois plus léger qu'un proton. Presque toute la masse de l'atome est donc dans le noyau, qui occupe pourtant une part infime du volume.

Partie B — la molécule de butane. La formule du butane est $\mathrm{C_4H_{10}}$.

5. Que dit la formule ? L'indice écrit en bas à droite de chaque symbole compte les atomes de cette sorte dans une molécule : une molécule de butane contient 4 atomes de carbone et 10 atomes d'hydrogène, soit

6. Et dans 3 molécules de butane ? Chaque molécule apporte 10 atomes d'hydrogène :

et, toutes sortes confondues,

7. Le résultat a-t-il du sens ? Oui : les 42 atomes se répartissent en $4 \times 3 = 12$ atomes de carbone et $30$ atomes d'hydrogène, et $12 + 30 = 42$. Le compte est bon.

Réflexe d'auto-contrôle : quand une question porte sur un noyau, demande-toi d'abord quelles deux données l'énoncé te fournit. La troisième s'en déduit toujours par une addition ou une soustraction — jamais par une valeur apprise par cœur.

Figure (fig.chemistry.atom-structure, SVG existant) : deux panneaux côte à côte, l'échelle à gauche, la formule à droite.

• Panneau de gauche — l'atome, à deux échelles. En haut, un grand disque en trait fin figure l'atome entier, légendé « atome : diamètre de l'ordre de $10^{-10}$ m ». En son centre, un point à peine visible, accompagné d'une flèche de rappel : « noyau : diamètre de l'ordre de $10^{-15}$ m — 100 000 fois plus petit ». Entre les deux, la mention « structure lacunaire ; schéma de comptage ». En bas du même panneau, un agrandissement du noyau (cartouche relié au point central par deux traits de perspective) : un amas de billes où les protons sont dessinés en trait plein et marqués d'un signe $+$, les neutrons en trait hachuré et marqués d'un rond vide ; légende « 13 protons, 14 neutrons — 27 nucléons ». À l'intérieur du grand disque, près de son bord, 13 petits points marqués d'un signe $-$, avec la légende « 13 électrons, près de 1 800 fois plus légers qu'un proton — positions symboliques pour les compter ».
• Panneau de droite — lire une formule. La formule $\mathrm{C_4H_{10}}$ écrite en très grand. Sous le symbole C, une accolade vers 4 billes étiquetées « atomes de carbone » ; sous le symbole H, une accolade vers 10 billes étiquetées « atomes d'hydrogène ». Une flèche pointe l'indice 4 avec l'étiquette « l'indice, en bas à droite, compte les atomes de cette sorte dans UNE molécule ». Bandeau de bilan : « $4 + 10 = 14$ atomes dans une molécule de butane ».
• Distinction sans couleur. Protons en trait plein avec signe $+$, neutrons en trait hachuré avec rond vide, électrons en petits disques pleins avec signe $-$ : chaque particule est identifiable par sa forme et son signe écrit, pas seulement par sa teinte.
• Encadré en bas de figure : « Nombre d'électrons $=$ nombre de protons $= Z$. Nombre de nucléons $=$ protons $+$ neutrons. »

Ce qu'il faut lire. Le message du panneau de gauche n'est pas le dessin du noyau : c'est l'écart entre les deux tailles. Le noyau ne se voit pas à l'échelle de l'atome, il faut l'agrandir pour le dessiner . Les points près du bord servent seulement au comptage : ils ne dessinent pas une coque ni des orbites réelles. Le message du panneau de droite est que l'indice se rapporte au symbole qui le précède, et à une seule molécule.

La figure en détail : deux schémas côte à côte. À gauche, un grand cercle représentant un atome d'aluminium, de diamètre de l'ordre de dix puissance moins dix mètre, avec en son centre un point représentant le noyau, de diamètre de l'ordre de dix puissance moins quinze mètre, soit cent mille fois plus petit ; un agrandissement montre ce noyau composé de treize protons chargés positivement et de quatorze neutrons sans charge, soit vingt-sept nucléons ; treize points chargés négativement près du pourtour représentent symboliquement le comptage des électrons, sans les fixer sur une surface matérielle. À droite, la formule du butane, C quatre H dix, décomposée en quatre atomes de carbone et dix atomes d'hydrogène, soit quatorze atomes dans une molécule.