STRUCTURE DE L'ATOME

On définit l'atome comme la plus petite particule d'un corps simple pouvant se lier chimiquement à d'autres. C'est Démocrite, qui, le premier, formula ce concept. On représente l'atome comme une sphère de diamètre voisin de $\rm 10^{-10}~m$, soit le dixième de nanomètre.

L'atome est constitué d'un nuage d'électrons, orbitant autour du noyau central dont les constituants élémentaires sont les protons et les neutrons, appelés nucléons. Le diamètre du noyau est voisin du femtomètre ($\rm 10^{-15}$ mètre).

L'électron porte une charge électrique élémentaire de valeur $\rm -1,602 \cdot 10^{-19}~C$. Le proton porte lui aussi une charge électrique élémentaire, de même valeur que celle de l'électron, mais positive. L'atome étant électriquement neutre, il possède autant de protons que d'électrons.

On note un élément $\rm {_Z^A}X$, où $\rm X$ est le symbole chimique de l'élément, $\rm A$ représente le nombre de nucléons et $\rm Z$, le nombre de protons.

MASSE ATOMIQUE

La masse du proton est $\rm 1,672 \cdot 10^{-27}~kg$, proche de celle du neutron qui vaut $\rm 1,675 \cdot 10^{-27}$. La masse de l'électron n'est que de $\rm 9,110 \cdot 10^{-31}~kg$ soit presque $2~000$ fois plus faible que celle du neutron. C'est donc le noyau atomique qui porte d'essentiel de la masse de l'atome.
On note $\rm N$, le nombre de neutrons du noyau. Puisque A représente le nombre de nucléons, on peut écrire : $\rm A = N + Z$. Or, l'essentiel de la masse atomique étant portée par les protons et nucléons, A porte le nom de nombre de masse.

ISOTOPES

On définit les éléments atomiques par le nombre de protons que leur noyau contient. Par exemple, l'hydrogène $(\rm{_1^1}H)$ comporte, dans son noyau, un unique proton, alors que le carbone $(\rm {_6^{12}}C)$ en comporte $6$. Néanmoins, on trouve de l'hydrogène dont le noyau porte, en plus du proton, un neutron $(\rm {_1^2}H)$ ; il existe aussi de l'hydrogène dont le noyau en contient deux : $(\rm {_1^3}H)$. De même pour le carbone, on trouve du carbone dont le noyau comporte sept neutrons $(\rm {_6^{13}}C)$ ainsi que du carbone avec huit neutrons $(\rm {_6^{14}}C)$. Ainsi, il existe plusieurs variantes d'un même élément atomique, différant les uns des autres par le nombre de neutrons qu'ils contiennent : on appelle ces variantes des isotopes.

Chaque élément possède un nombre défini d'isotopes. En moyennant les masses de chaque isotope d'un même élément, par mole, et en tenant compte de leurs proportions respectives, on obtient la masse molaire de l'élément en question, dont la valeur numérique est proche de celle de $\rm A$ (nombre de masse de l'élément).

STABILITÉ DES NOYAUX

Dans le noyau, du fait de leur charge électrique, les protons subissent des forces qui ont tendance à les éloigner les uns des autres, par répulsion coulombienne. Pour contrer cette répulsion, il existe, au sein du noyau, une liaison nucléaire qui maintient sa cohésion.

On peut représenter par une courbe cette énergie de liaison par nucléon, en fonction du nombre de nucléons : c'est la courbe d'Aston. Cette courbe croît exponentiellement jusqu'à $\rm A=62$ nucléons (nickel$-62$), ce qui signifie que la stabilité des noyaux augmente jusqu'à l'élément nickel. Puis la courbe décroît lentement jusqu'à $\rm A=238$ nucléons (uranium$-238$) indiquant qu'au-delà du nickel, les noyaux des éléments perdent en stabilité et même, deviennent radioactifs au-delà de $\rm A=210$ nucléons (polonium$-210$).