La structure de l'atome : cours de 3e

Un verre d'eau, une feuille d'aluminium, l'air que tu respires, ton propre corps : tout cela est de la matière. Depuis très longtemps, des penseurs se demandent si on peut couper cette matière en morceaux de plus en plus petits sans jamais s'arrêter, ou s'il existe une brique de base qu'on ne peut plus diviser. L'idée d'éléments insécables apparaît dès le Ve siècle avant l'ère chrétienne.²

Dans ce cours, tu vas découvrir la réponse que la physique moderne donne à cette question. L'atome est le constituant de base de la matière.³ Mais il n'est pas un bloc plein et indivisible : à partir du XXe siècle, la physique a permis aux scientifiques d'entrer dans son intimité.³ Tu verras que l'atome a lui-même une structure, avec un centre et des particules qui l'entourent.

Le programme de 3e te demande de connaître les constituants de l'atome et la structure interne d'un noyau atomique.¹ Voici le plan du cours :

• l'organisation générale de l'atome : un noyau et des électrons ;
• les particules qui le composent et leurs caractéristiques ;
• comment compter ces particules à partir de quelques données ;
• l'histoire des modèles, car l'atome n'a pas été compris d'un seul coup ;
• les erreurs à éviter et des exercices pour t'entraîner.

Pour te représenter l'atome, imagine un centre minuscule et dense, et autour de lui des particules très légères en mouvement. Le centre, c'est le noyau. Ce qui l'entoure, c'est le nuage électronique. C'est ce nuage qui est responsable de l'essentiel des propriétés physiques et chimiques de l'atome.⁵ Autrement dit, quand un atome réagit avec un autre lors d'une transformation chimique, ce sont d'abord ses électrons qui comptent.

Le noyau, lui, concentre l'essentiel de la matière de l'atome malgré sa très petite taille.² Cette idée est surprenante : un atome n'est donc pas un petit ballon plein, mais une structure dont presque toute la masse est regroupée au centre.

Le mot « nuage » est bien choisi. On ne peut pas dire que les électrons suivent des trajectoires précises comme des planètes autour du Soleil. La physique quantique décrit leur présence autour du noyau par une probabilité de présence.⁵ Retiens simplement pour ton niveau : les électrons sont répartis autour du noyau et forment le nuage électronique.

Les protons sont des particules chargées positivement. Ils sont beaucoup plus massifs que les électrons.² Les neutrons, eux, n'ont pas de charge électrique : ils sont électriquement neutres, ce qui explique leur nom.²

Pour résumer ces informations, voici un tableau de comparaison des particules que tu dois connaître :

Pourquoi y a-t-il des neutrons ? À l'époque où l'on a imaginé que les noyaux étaient faits de protons seulement, les mesures de masses et de charges des noyaux ont montré que cela ne suffisait pas : il fallait aussi des particules sans charge.² Les neutrons ont été imaginés puis nommés dès 1920, et leur découverte expérimentale date de 1932, grâce à James Chadwick.²

Les noyaux n'ont pas tous la même composition. Les noyaux connus se classent selon leur nombre de protons, noté Z, qui définit l'élément, et selon leur nombre de neutrons, noté N.³ Deux atomes qui ont le même nombre de protons appartiennent donc au même élément chimique, même si leur nombre de neutrons diffère.

L'électron a été identifié en 1897 par Joseph John Thomson. En étudiant les rayons cathodiques, il y a reconnu un flux de petits grains de matière portant tous une charge négative : les électrons.² C'est la première particule « à l'intérieur de l'atome » que l'on a identifiée, ce qui prouvait que l'atome n'était pas insécable.

Pourquoi les électrons sont-ils si importants ? Parce que leur organisation donne à l'atome ses propriétés chimiques et magnétiques.⁵ Le tableau périodique, que tu retrouveras dans les chapitres suivants, classe les éléments d'après leurs propriétés chimiques. Son agencement est déterminé par la façon dont les électrons se distribuent dans l'atome.⁵ Tu comprends maintenant pourquoi un chapitre sur l'atome précède les chapitres sur les ions, le pH ou les solutions acides et basiques : toute la chimie de ces notions repose sur les électrons.

Enfin, chaque atome possède une signature lumineuse caractéristique, appelée signature spectrale. Les astronomes l'utilisent pour détecter la présence de certains atomes dans l'espace.⁵ C'est une belle illustration de l'intérêt de comprendre la structure de l'atome : cela permet d'étudier des objets que personne ne pourra jamais toucher.

Savoir nommer les particules ne suffit pas : au DNB, on te demande souvent de calculer combien d'entre elles contient un atome à partir de quelques données. Ce travail est simple si tu raisonnes avec la définition du nucléon.

L'atome n'a pas été compris d'un seul coup. Il a fallu des siècles d'idées, d'expériences et de corrections. Voici les grandes étapes à connaître. Chaque nouveau modèle remplace le précédent parce qu'une expérience montre qu'il est insuffisant : c'est comme cela que fonctionne la démarche scientifique.

Avant le XXe siècle. Entre 1600 et 1800, des auteurs réputés comme Galilée ou Descartes décrivent la matière à l'aide d'entités extrêmement petites.² En 1808, John Dalton reprend l'idée d'atomes pour expliquer les lois de la chimie. Pour lui, les particules d'un corps simple sont semblables entre elles et différentes d'un corps à l'autre. Une réaction chimique est alors un nouvel agencement d'atomes, qui ne subissent aucune altération.²

La découverte de l'électron. En 1897, Joseph John Thomson identifie les électrons, des particules de charge négative présentes dans les rayons cathodiques. Il imagine alors un atome fait d'une matière chargée positivement, remplie d'électrons.²

La preuve de l'existence des atomes. En 1908, Jean Perrin apporte la preuve décisive que la matière est bien faite d'atomes.²

Le noyau. En 1911, Ernest Rutherford envoie des particules sur une feuille d'or. Il découvre que l'essentiel de la matière de l'atome est concentré dans un noyau très petit, entouré d'électrons.² Le modèle de Thomson ne pouvait pas expliquer ce résultat : l'atome n'est pas une matière uniforme remplie d'électrons.

Protons et neutrons. En 1918, Rutherford imagine que les noyaux sont composés de protons, beaucoup plus massifs que les électrons et chargés positivement.² Les mesures de masses et de charges montrent qu'il existe aussi des particules neutres, nommées neutrons dès 1920. James Chadwick les découvre en 1932.²

Les atomes n'ont pas tous le même âge ni la même origine. Les plus légers sont les plus anciens : l'hydrogène, l'hélium, le lithium et le béryllium sont nés d'un regroupement de protons et de neutrons, pendant les toutes premières minutes de l'histoire de l'Univers.³ Les éléments plus lourds sont apparus à d'autres étapes. Les étoiles jouent un rôle majeur dans cette fabrication, appelée nucléosynthèse.³

Tous les noyaux ne sont pas stables. Parmi les noyaux connus, seuls 250 à 300 environ sont stables ; les atomes radioactifs subissent une série de transformations qui les ramènent vers un noyau stable.³ Le carbone 12 est un exemple d'atome stable.³ Ce thème sera approfondi plus tard ; retiens ici que la structure du noyau détermine sa stabilité.

Les scientifiques fabriquent aussi des atomes en laboratoire. Ces atomes synthétiques servent surtout à la recherche, parfois à des usages militaires, rarement à l'industrie à cause de leur coût. Quelques exemples : le technétium 99m, très utilisé en médecine nucléaire, et l'américium 241, employé dans les détecteurs de fumée.⁵ Comprendre l'atome a donc des applications très concrètes, de la médecine à la sécurité chez toi.