B1 · Structure de l'atome
Noyau atomique, isotopes et défaut de masse
Définir les grandeurs Z, N et A, la notion d'isotope, d'isobare et d'isotone, et la composition du noyau en nucléons. Introduire le défaut de masse et l'énergie de liaison par nucléon comme mesure de la cohésion nucléaire.
Chimie générale et organique8 min de lecture17 QCM corrigés
Composition du noyau atomique
Le noyau atomique est la région centrale de l’atome. Il concentre presque toute sa masse dans un volume très faible et porte une charge électrique positive. Il est constitué de deux types de particules, le proton et le neutron.
Le proton porte une charge élémentaire positive , où est la valeur absolue de la charge élémentaire. Le neutron est électriquement neutre. Leurs masses, notées respectivement et , sont proches, celle du neutron étant légèrement supérieure à celle du proton.
La cohésion du noyau ne peut pas être expliquée par l’interaction électrostatique : les protons, tous positifs, se repoussent. Elle résulte principalement de l’interaction nucléaire forte, attractive à très courte portée entre les nucléons. Les neutrons participent donc à l’attraction nucléaire sans augmenter la répulsion électrique.
Les nombres , et
Tous les noyaux d’un même élément possèdent le même numéro atomique . Dans un atome électriquement neutre, le nombre d’électrons est également égal à , mais la configuration de ces électrons relève des fiches consacrées au cortège électronique.
On en déduit immédiatement . Le nombre de masse ne doit pas être interprété comme une masse mesurée : il dénombre des particules, tandis que la masse réelle du noyau est une grandeur physique exprimée en kilogrammes ou en unité de masse atomique.
Écriture symbolique d’un nucléide
Un nucléide se note sous la forme :
Dans cette écriture, est le symbole chimique de l’élément, son numéro atomique et son nombre de masse. Puisque le symbole impose déjà , l’indice inférieur peut parfois être omis, mais il reste utile pour rendre explicite la composition nucléaire.
Une modification du nombre d’électrons produit un ion, sans changer le nucléide. À l’inverse, une modification de change l’élément chimique lui-même.
Isotopes, isobares et isotones
Isotopes
Les isotopes ont la même charge nucléaire et, à charge électrique identique, le même nombre d’électrons. Leur comportement chimique est donc très voisin, car celui-ci dépend principalement du cortège électronique. En revanche, leurs masses et leurs propriétés nucléaires peuvent différer.
Isobares
Des isobares contiennent le même nombre total de nucléons, mais une répartition différente entre protons et neutrons. Comme leurs numéros atomiques diffèrent, ils appartiennent nécessairement à des éléments chimiques différents.
Isotones
Puisque , deux isotones ayant des valeurs différentes de ont également des nombres de masse différents.
Défaut de masse du noyau
Origine du défaut de masse
Considérons séparément les protons et les neutrons qui constituent un noyau. La somme de leurs masses à l’état libre est supérieure à la masse du noyau assemblé. La différence entre ces deux valeurs est appelée défaut de masse.
L’unité de masse atomique, de symbole , est une unité adaptée aux masses microscopiques. Elle est définie comme le douzième de la masse d’un atome neutre de carbone 12 dans son état fondamental.
Le défaut de masse ne signifie pas que de la matière a disparu. Lors de la formation du noyau, le système libère de l’énergie et sa masse diminue conformément à l’équivalence entre masse et énergie. Inversement, il faut fournir cette même énergie pour dissocier complètement le noyau en nucléons libres.
Énergie de liaison
Cette énergie est égale à l’énergie libérée lors de la formation du noyau à partir de ses nucléons libres. Elle est reliée au défaut de masse par la relation d’Einstein.
L’électronvolt, de symbole , est l’énergie acquise par une charge élémentaire traversant une différence de potentiel d’un volt. En physique nucléaire, les énergies sont souvent exprimées en mégaélectronvolts, avec pour un million d’électronvolts.
Plus le défaut de masse est grand, plus l’énergie nécessaire pour restituer les nucléons libres est élevée. Le noyau est alors davantage lié. Toutefois, l’énergie de liaison totale augmente généralement avec le nombre de nucléons : elle ne suffit donc pas, à elle seule, pour comparer la cohésion moyenne de noyaux de tailles différentes.
Énergie de liaison par nucléon
Cette grandeur normalisée permet de comparer la cohésion moyenne de noyaux contenant des nombres différents de nucléons. Une énergie de liaison par nucléon plus élevée signifie qu’il faut fournir, en moyenne, davantage d’énergie par nucléon pour désassembler complètement le noyau.
Elle constitue donc une mesure globale de la cohésion nucléaire, mais elle ne décrit pas à elle seule toutes les possibilités de transformation d’un noyau. La stabilité vis-à-vis d’une transformation précise dépend aussi des masses et des énergies des états initial et final.
Entre ton email pour débloquer le reste de cette fiche
Il reste 2 sections à lire — plus les QCM corrigés, l'examen blanc et le suivi. 72 h d'essai gratuit, sans carte bancaire.