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• La matière est constituée d'atomes, qui expliquent les propriétés physico-chimiques des substances.

Structure de l'atome

• Un atome est une particule électriquement neutre composée d'un noyau et d'électrons.
• Le noyau contient des nucléons : protons (charge positive) et neutrons (sans charge).
• Des électrons de charge négative gravitent autour du noyau.

Dimensions et masse des atomes

• Un atome est environ 100 000 fois plus grand que son noyau.
• Le rayon atomique est d'environ 10^-10 mètre, soit 1 Ångström (Å).
• Le noyau est constitué de A nucléons, répartis en Z protons et N neutrons.
• Les protons ont une masse de 1,6726 × 10^-27 kg (1836 fois la masse de l'électron) et une charge de +1,602 × 10^-19 C.
• Les neutrons ont une masse de 1,6749 × 10^-27 kg (1839 fois la masse de l'électron) et sont de charge nulle.
• Le noyau a un rayon d'environ 10^-15 mètre.
• Les électrons ont une masse de 9,1095 × 10^-31 kg et une charge de -1,602 × 10^-19 C.

Masse atomique

• Masse de tous les constituants d'un atome.
• Calcul: matome = mnoyau + mélectrons
• Mnoyau = (nombre de protons) × mproton + (nombre de neutrons) × mneutron
• Mnoyau = Z × mproton + (A-Z) × mneutron
• Mélectrons = (nombre d'électrons) × mélectron
• Mélectrons = Z × mélectron
• Matome = Z × mprotons + (A-Z) × mneutrons + Z × mélectrons

Unité de masse atomique (u.m.a)

• Le nombre d'atomes de 12C dans 12 grammes de cet isotope est le nombre d'Avogadro, environ 6,023.10^23.
• Une u.m.a est égale à 1/12 de la masse de l'isotope 12C du carbone.
• 1 u.m.a = 1,660 × 10^-27 kg.

Équivalence énergétique

• Relation entre la masse et l'énergie: E = mc².
• 1 u.m.a C² = 931,48 MeV.

Généralement

-1 u.m.a = 931,5 MeV/C², soit environ 931 MeV/C² (expérimentalement).

• A représente le nombre de nucléons, la masse molaire (g/mol) ou le nombre de masse (u.m.a).

Modèles de l'atome

• Rutherford a proposé un modèle planétaire, avec un noyau central et des électrons en mouvement autour.
• L'expérience de Rutherford, en bombardant des feuilles d'or avec des particules alpha, a montré que l'atome a une structure lacunaire (composée essentiellement de vide).
• Le modèle de Bohr stipule que l'atome est composé d'un noyau chargé positivement et d'électrons tournant autour, sur des orbites de rayons précis.
• L'électron sur une orbite ne rayonne pas d'énergie.
• L'électron ne peut occuper que des orbites stables discrètes (niveaux d'énergie).
• Un électron émet un rayonnement en passant d'une orbite à une autre de niveau d'énergie inférieur, et absorbe un rayonnement en passant à un niveau supérieur.
• Les orbites possibles sont quantifiées et ont des diamètres bien définis.

Structure du noyau

• Un noyau est caractérisé par son nombre de masse A (nombre total de nucléons) et son numéro atomique Z (nombre de protons).
• Le nombre de neutrons est A-Z.
• Le nombre d'électrons est égal à Z.
• Ax: état fondamental.
• AZX*: état excité. AXm: état métastable.
• A est égal à Z + N.

Taille du noyau

• Le rayon d'un noyau est r = r0(A)^(1/3), où r0 est le rayon du nucléon.
• Le volume du noyau est V = (4/3)πr^3.
• La masse volumique du noyau est ρ = M/V.
• L'étude du noyau d'hydrogène a permis de déterminer sa taille, définie par son rayon : r0 = 1,3.10^-15 m = 1,3 f (fermi).

Nomenclature

• Nucléide : Type de noyau atomique défini par le nombre de protons et de neutrons.

• Isotopes : Noyaux avec le même nombre de protons, mais différents nombres de neutrons, mêmes propriétés chimiques.

• Isobares : Noyaux avec le même nombre de masse A, différents nombres de protons Z.

• Isotones : Noyaux avec le même nombre de neutrons, différents nombres de protons Z.

• Les isodiaphères sont des noyaux qui ont le même (N-Z).

• Les isomères sont des noyaux d'un même nucléide avec des énergies différentes.

• Formule: AX* → AX + Quantité d'énergie.

• Si t < 10^-12 s, les noyaux sont isomères.

• Si t > 10^-12 s, les noyaux sont isomères métastables.

Énergie de liaison du noyau

• Il existe des noyaux stables qui ont une durée de vie infinie.
• Il existe des noyaux instables qui ont une durée de vie limitée.
• La stabilité du noyau est assurée par des forces de liaisons d'énergie considérable.
• Forces coulombiennes : répulsives et exercées entre particules chargées.
• Forces nucléaires : attractives et exercées entre les nucléons.
• Forces de tensions superficielles : attractives et exercées entre les nucléons périphériques d'un noyau lourd.
• L'énergie de liaison est l'énergie nécessaire pour dissocier tous les nucléons d'un noyau, et dépend du défaut de masse.
• Le défaut de masse correspond à une énergie selon E = Δm. C².
• Δm = mthé - mréel
• mthé = mprotons + mneutrons = Z.mp + (A – Z)mn
• El = Δm. C² = (mthé - mréel). C² = |(mréel – mthé)|.C^2

Unités

-El = ΔE = Δm. C2

• Mev
• u.m.a × C2 931 Kg x m/s

Énergie de liaison par nucléon

• L'énergie de liaison par nucléon est l'énergie nécessaire pour arracher un nucléon du noyau : El/A
• El/A = Δm. C2/N+Z
• La stabilité relative d'un noyau est d'autant plus grande que son énergie de liaison est grande.

La courbe d'Aston

• Cette courbe représente la variation de l'énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse A.
• Les noyaux les plus stables sont dans la partie basse de la courbe.
• Les noyaux légers ont une énergie de liaison faible, qui croit jusqu'au Fer 56.
• Les noyaux stables ont une énergie de liaison supérieure à 8 MeV, avec un nombre de masse entre 20 et 190.
• Les noyaux légers (A< 20) peuvent fusionner et les noyaux lourds (A > 190) peuvent se casser pour gagner en stabilité.

Répartition des espèces nucléaires

• Diagramme de Segré : Représentation graphique de N en fonction de Z.
• Il existe environ 2000 noyaux, avec seulement 280 stables.

Zones du diagramme

• Zone I : "Vallée de stabilité", noyaux stables.
• Zone II: Noyaux lourds (Z > 82), instables, émettant des particules alpha.
• AX→ X+ He
• Zone III : Excès de neutrons, transformation neutron en proton (réaction n, p).
• In → P + _le + v
• Zone IV : Excès de protons, transformation proton en neutron (réaction p, n).
• P → n + e + v
• La tendance naturelle est N > Z : il est nécessaire pour l'émission ẞ¯et contrairement à l'émission ẞ+ qui est généralement d'origine artificielle.
• Les isotones sont sur une ligne horizontale, les isotopes sur une ligne verticale, et les isobares sur une ligne perpendiculaire.