Fiche de révision : Atomes, éléments et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Constituants et structure atomique
2. Élément chimique et numéro atomique
3. Nucléides et isotopes
4. Masses atomiques et molaires
5. Radioactivité et rayonnements
6. Stabilité et désintégrations nucléaires
7. Lois et cinétique radioactive

📅 Repères chronologiques

1. Ve siècle av. J.-C.Leucippe et Démocrite défendent l’idée que l’univers est constitué de vide et d’atomes indivisibles. — Leucippe, Démocrite
2. 1808Le modèle de Dalton affirme que la matière est constituée d’atomes indivisibles et que les atomes se recombinent sans être créés ni détruits lors d’une réaction chimique.
3. 1897-1904La découverte de l’électron conduit Thomson à proposer un modèle formé d’électrons inclus dans une sphère de charge positive. — J.J. Thomson, 1897-1904
4. 1908Rutherford découvre le noyau atomique et propose un modèle dans lequel les électrons entourent un noyau central.

📖 1. Constituants et structure atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Entité électriquement neutre, essentiellement constituée de vide, dont le diamètre est de l’ordre de $10^{-10}\ \mathrm{m}$.
• Noyau atomique : Région très petite, d’environ $10^{-15}\ \mathrm{m}$, chargée positivement et constituée de protons et de neutrons.

★ À maîtriser

📌 Un atome électriquement neutre contient autant d’électrons que de protons, et l’essentiel de sa masse est concentré dans le noyau.

Compléments

• L’électron a une masse de $9{,}109\times10^{-31}\ \mathrm{kg}$ et une charge de $-1{,}602\times10^{-19}\ \mathrm{C}$.

💡 Astuce mémo

Noyau massif et positif, nuage électronique léger et négatif

📖 2. Élément chimique et numéro atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Numéro atomique : Henry Moseley, 1913-1914 — Le nombre de protons contenus dans le noyau et caractérise l’élément chimique.

★ À maîtriser

📌 Un cation est formé par retrait d’électrons à un atome, tandis qu’un anion est formé par ajout d’électrons.

Compléments

• L’ion oxyde $\mathrm{O^{2-}}$ est obtenu en ajoutant deux électrons à un atome d’oxygène de numéro atomique $Z=8$.

• Le cation sodium $\mathrm{Na^+}$ est obtenu en retirant un électron à un atome de sodium de numéro atomique $Z=11$.

💡 Astuce mémo

Z fixe l’élément, les électrons fixent l’ion

📖 3. Nucléides et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléide : Défini par un couple déterminé de nombres de protons et de neutrons, noté $^{A}_{Z}X$.
• Isotopes : Deux nucléides appartiennent au même élément chimique mais possèdent des nombres différents de neutrons.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le nombre de masse vérifie $A=Z+N$, où il représente le nombre total de nucléons.

Compléments

• Le carbone 12 et le carbone 14 sont deux isotopes de l’élément carbone, car ils possèdent tous deux six protons mais des nombres de neutrons différents.

💡 Astuce mémo

A = Z + N

📖 4. Masses atomiques et molaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Unité de masse atomique : Ou dalton, vaut $1{,}660\ 538\ 782\times10^{-27}\ \mathrm{kg}$ et correspond au douzième de la masse d’un atome de carbone 12.
• Masse molaire : La masse d’une mole d’une entité chimique et s’exprime généralement en $\mathrm{g\ mol^{-1}}$.

📝 Points essentiels

• La constante d’Avogadro vaut $6{,}022\ 141\ 79\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}$ et correspond au nombre d’atomes présents dans 12 g de carbone 12.

📐 Formule — La masse molaire d’un élément est une moyenne pondérée des masses molaires isotopiques : $M=\sum_i a_iM_i$.

💡 Astuce mémo

Abondances isotopiques → masse molaire moyenne

📖 5. Radioactivité et rayonnements

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité naturelle : L’émission spontanée, naturelle et continue de rayonnements par certains éléments chimiques, phénomène découvert en 1896 par Henri Becquerel.
• Rayonnements radioactifs : Rutherford, 1908 — Les rayonnements radioactifs naturels sont de trois types : α, constitué de noyaux d’hélium 4, β−, constitué d’électrons, et γ, constitué de photons électromagnétiques très énergétiques.

📝 Points essentiels

📌 Le rayonnement α est arrêté par une feuille de papier, le rayonnement β− par une feuille de métal et le rayonnement γ seulement par plusieurs centimètres de plomb.

💡 Astuce mémo

α peu pénétrant, β intermédiaire, γ très pénétrant

📖 6. Stabilité et désintégrations nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Défaut de masse : La différence positive entre la somme des masses des nucléons et la masse réelle du noyau.

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’énergie de cohésion nucléaire est reliée au défaut de masse par la relation d’Einstein $E=\Delta m\,c^2$.

📌 La stabilité des noyaux dépend notamment du nombre total de nucléons et du rapport neutrons-protons, généralement compris entre 1 et 1,5 pour les atomes stables.

• 🔄 Lors d’une désintégration radioactive: un noyau instable se désintègre, un noyau plus léger et plus stable est produit, un rayonnement α ou β est émis, un rayonnement γ énergétique accompagne la transformation

💡 Astuce mémo

Noyau instable → désintégration → noyau plus stable et énergie

📖 7. Lois et cinétique radioactive

📝 Points essentiels

📌 Selon la loi de Soddy, une désintégration nucléaire conserve la somme des nombres de masse A et la somme des nombres atomiques Z.

📐 Formule — Lors d’une émission α, $^{A}_{Z}X\rightarrow{}^{A-4}_{Z-2}Y+{}^{4}_{2}\mathrm{He}$.

📐 Formule — Lors d’une émission β−, un neutron devient un proton et un électron, selon $^{A}_{Z}X\rightarrow{}^{A}_{Z+1}Y+{}^{0}_{-1}e$.

📐 Formule — L’activité radioactive d’une source est donnée par $A=\lambda N$ et s’exprime en becquerels, avec $1\ \mathrm{Bq}=1\ \mathrm{s^{-1}}$.

📐 Formule — La proportion de noyaux non désintégrés suit $\frac{N}{N_0}=e^{-\lambda t}$ et la période radioactive vaut $t_{1/2}=\frac{\ln 2}{\lambda}$.

💡 Astuce mémo

Conserver A et Z, puis suivre A = λN et N/N₀ = e⁻λt

📊 Tableaux de synthèse

Constituants de l’atome

Désintégrations radioactives