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L'atome, dérivé d'un mot grec qui se traduit librement par "ce qui ne peut pas être divisé", est largement considéré comme l'unité fondamentale de toute matière. Les atomes sont constitués de particules subatomiques appelées protons, neutrons et électrons, les deux premières résidant dans le noyau de l'atome et représentant la quasi-totalité de sa masse, et des électrons confinés aux orbitales situées au bord de l'atome. Le nombre de protons dans les atomes naturels va de 1 à 92; ces différents atomes correspondent à des éléments qui ont des propriétés électrochimiques différentes en raison de leurs masses variables et de la disposition unique de leurs minuscules particules constitutives dans l’espace.
L'atome
Les atomes sont des particules extrêmement petites et ne peuvent être divisés davantage que par des moyens extraordinaires. Pensez aux pièces qui composent un puzzle. Celles-ci peuvent techniquement être séparées en de plus petits morceaux de carton et de papier en les détruisant, mais pour des raisons pratiques, ces pièces sont les éléments fondamentaux et indivisibles des casse-tête.
Les atomes sont constitués de protons, qui portent une charge électrique positive; les électrons, qui portent une charge négative; et les neutrons, qui ne portent aucune charge. Ainsi, dans un atome ordinaire, électriquement neutre, le nombre de protons et le nombre d'électrons sont égaux.
La masse atomique d'un atome est approximativement égale au nombre de protons plus le nombre d'électrons, puisque la masse d'électrons est pratiquement négligeable.
Le proton
Le proton est en effet la particule d'indice de tout atome. C'est le nombre de protons dans un atome qui détermine l'identité de l'élément auquel appartient un atome; autrement dit, si deux atomes ont un nombre différent de protons, ils ne sont pas le même élément.
Le nombre de protons dans un élément détermine son numéro atomique, Z. L'hydrogène est l'élément le plus léger et possède un proton (Z = 1); l'uranium est l'élément naturel le plus lourd et a 92 protons (Z = 92). Chaque proton, auquel est attribuée une masse de 1,00728 unité de masse atomique (amu), a une charge désignée par +1.
Les atomes peuvent exister avec seulement un proton dans leur noyau, comme c'est le cas avec les atomes d'hydrogène. Un noyau sans au moins un proton, cependant, n'est pas un atome.
Le neutron
Les neutrons ont une taille similaire à celle des protons, avec un amu de 1,00867, et habitent également le noyau des atomes. Le nombre de neutrons dans un atome dans la configuration la plus stable des éléments est généralement supérieur au nombre de protons, cette disparité devenant d'autant plus grande que le nombre d'atomes augmente. Un atome d'hydrogène, par exemple, a un proton mais pas de neutrons, alors qu'un atome d'hélium en a deux. L'étain, quant à lui, contient 50 protons et 69 neutrons, tandis que l'uranium en a 92 et 146 respectivement.
Le nombre de protons plus les neutrons dans un atome est son nombre de masse, M. Ainsi, le nombre de neutrons dans un atome est son nombre de masse atomique moins son numéro atomique, ou M - Z.
Si un atome gagne ou perd des neutrons, il reste le même élément mais devient un isotope de cet élément. Différents isotopes sont identifiés en ajoutant M au coin supérieur gauche de l'abréviation de cet élément. Par exemple, 14C est un isotope du carbone (Z = 6) qui a huit neutrons plutôt que les six habituels.
L'électron
Les électrons sont de minuscules particules (0,000549 amu), chargées négativement, décrites comme orbitant autour des protons et des neutrons qui constituent le noyau des atomes, à la manière des planètes gravitant autour du soleil. Il s’agit toutefois d’une description approximative au mieux, car les progrès de la physique quantique ont conduit au concept d’orbites discrètes sur le noyau entre lequel les électrons peuvent "sauter". Ces orbitales correspondent à différents niveaux d'énergie électromagnétique et portent des noms tels que s, p, d et f. Le mouvement des électrons provient de leur charge de -1 et de leur attirance vers le noyau chargé positivement.
Normalement, le nombre d'électrons dans un atome est égal à Z, ce qui rend ces atomes neutres en charge globale. Certains atomes ont un nombre différent de protons et d'électrons, entraînant une charge nette positive ou négative. Ces atomes s'appellent des ions.