Structure de l’atome
La structure de l’atome n’est pas celle d’un système solaire miniature. Un atome possède un noyau minuscule formé de protons et de neutrons, entouré d’électrons décrits par des états quantiques. Le noyau fixe l’identité de l’élément et concentre presque toute sa masse ; l’organisation des électrons gouverne l’essentiel de sa chimie.
Trois particules, trois rôles différents
Proton
Charge +e. Situé dans le noyau. Le nombre de protons Z définit l’élément.
Neutron
Charge nette nulle. Situé dans le noyau. Des nombres de neutrons différents donnent des isotopes.
Électron
Charge −e. Masse d’environ 1/1836 de celle d’un proton. Occupe des états quantiques autour du noyau et joue le rôle principal dans la chimie.
Un atome neutre possède autant d’électrons que de protons. Modifier le nombre d’électrons donne un ion ; modifier le nombre de neutrons donne un isotope ; modifier le nombre de protons donne un autre élément.
Numéro atomique, nombre de masse et notation isotopique
Le numéro atomique Z est le nombre de protons. Le nombre de masse A compte protons et neutrons ; le nombre de neutrons vaut donc N = A − Z.
²³₁₁Na: Z = 11, A = 23, N = 12.
²³₁₁Na⁺ : toujours 11 protons et 12 neutrons, mais désormais 10 électrons.
La masse atomique indiquée dans le tableau périodique n’est généralement pas entière : c’est une moyenne pondérée sur les isotopes naturels, et non le nombre de masse d’un atome particulier.
De Rutherford à l’atome quantique
La diffusion de Rutherford a établi l’existence du noyau, mais un électron classique en orbite autour d’un noyau positif rayonnerait de l’énergie et finirait par s’effondrer sur lui. Bohr a introduit des niveaux d’énergie discrets pour l’hydrogène ; la mécanique quantique a ensuite remplacé les orbites fixes par des fonctions d’onde et des orbitales.
Une orbitale n’est pas une trajectoire. C’est un état quantique dont la fonction d’onde détermine une distribution de probabilité de présence de l’électron. Les couches et sous-couches organisent ces états selon leurs nombres quantiques et leur énergie.
Cette distinction est essentielle : les tendances chimiques — liaisons, ionisation, taille, spectres — proviennent des énergies et de la répartition spatiale des électrons, pas de petites planètes tournant autour du noyau.
Construire un atome : bilan de charge et de masse
L’outil sépare volontairement les trois décomptes. L’identité nucléaire dépend du nombre de protons ; la charge dépend du déséquilibre entre protons et électrons.
Échelles, forces et cohésion de l’atome
Les électrons sont liés au noyau par l’attraction électromagnétique. Dans le noyau, les protons se repoussent électriquement, mais aux distances nucléaires l’interaction forte peut lier protons et neutrons.
Il ne faut pas confondre ces deux échelles : la chimie réorganise surtout les électrons et met typiquement en jeu des énergies de l’ordre de l’électronvolt par particule ; les réactions nucléaires modifient le noyau et peuvent libérer, par événement, des énergies des millions de fois plus grandes.
Même l’expression « taille d’un atome » demande une définition. La densité électronique ne possède pas de frontière nette : les rayons atomiques sont déduits des distances entre atomes dans les molécules ou les solides.
Les expériences qui ont construit le modèle moderne de l’atome
| Observation | Ce qu’elle a établi | Ce que l’expérience n’expliquait pas encore |
|---|---|---|
| Rayons cathodiques | Les atomes contiennent des électrons négatifs ; on peut mesurer leur rapport charge/masse. | La localisation de la charge positive. |
| Gouttes d’huile de Millikan | La charge de l’électron est quantifiée ; combinée à e/m, elle permet d’obtenir sa masse. | La structure nucléaire. |
| Diffusion de Rutherford | La charge positive et presque toute la masse sont concentrées dans un noyau minuscule. | La stabilité de la structure électronique et les spectres. |
| Spectres atomiques | Les atomes possèdent des énergies électroniques discrètes. | Une théorie complète des atomes à plusieurs électrons. |
| Expériences de Chadwick sur le neutron | Le noyau contient aussi des particules neutres de masse proche de celle du proton. | Le détail des forces nucléaires et de la structure en couches du noyau. |
Le modèle atomique a évolué parce que les expériences ont éliminé les représentations antérieures. Un schéma d’atome utile scientifiquement doit donc être lu comme un modèle relié à des observations précises, et non comme une photographie littérale.
Masse, isotopes et unité de masse atomique
Les masses du proton et du neutron sont proches de 1 unité de masse atomique unifiée, tandis qu’un électron ne représente qu’environ 0,00055 u. C’est pourquoi le nombre de masse A constitue un bon décompte entier des nucléons, mais pas une masse atomique exacte.
L’énergie de liaison nucléaire modifie aussi la masse. Un noyau lié a une masse légèrement inférieure à celle de ses protons et neutrons séparés ; le défaut de masse correspond à l’énergie de liaison selon E = mc². Les masses atomiques chimiques concernent en outre des atomes neutres et incluent la masse des électrons.
La valeur imprimée dans un tableau périodique est généralement une moyenne pondérée par les abondances isotopiques. Pour le chlore, les isotopes naturels ³⁵Cl et ³⁷Cl conduisent à une moyenne proche de 35,45 u. Aucun atome ordinaire de chlore ne possède « 35,45 nucléons ».
Position, probabilité et nuage électronique
La mécanique quantique n’attribue pas à l’électron une orbite classique avec une position et une vitesse connues à chaque instant. La fonction d’onde décrit l’état, et |ψ|² fournit une densité de probabilité pour les mesures de position.
Les représentations d’orbitales enferment généralement une fraction choisie — souvent environ 90 % — de la probabilité. La frontière dessinée est donc une convention de visualisation ; la densité électronique s’étend au-delà.
Le principe d’incertitude ne traduit pas seulement une mauvaise précision expérimentale : un état quantique ne peut pas posséder simultanément une position et une quantité de mouvement arbitrairement précises. C’est l’une des raisons profondes de l’échec du modèle planétaire.
Exercices
Ion magnésium
²⁴Mg²⁺ a Z = 12. Compter ses protons, ses neutrons et ses électrons.
Solution
12 protons, 24 − 12 = 12 neutrons, et 12 − 2 = 10 électrons.
Isotope ou ion ?
Deux atomes possèdent 17 protons ; l’un a 18 neutrons, l’autre 20. Quelle relation existe entre eux ?
Solution
Ce sont des isotopes du chlore. Leur nombre de protons — donc leur identité chimique — est identique.
Preuve de Rutherford
Quelle observation exclut l’idée d’une charge positive répartie uniformément dans tout l’atome ?
Solution
Les rares fortes déviations angulaires imposent que la charge positive et presque toute la masse soient concentrées dans une région minuscule : le noyau.