Fiche de révision : Atomes, éléments et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Modèles historiques de l’atome
2. Constituants de l’atome
3. Éléments, ions et isotopes
4. Nucléides et notation atomique
5. Masses atomiques et molaires
6. Radioactivité et stabilité nucléaire
7. Lois des désintégrations radioactives
8. Cinétique radioactive

📖 1. Modèles historiques de l’atome

★ À maîtriser

• En 1808, Dalton propose que toute matière est constituée d’atomes indivisibles et que les atomes se recombinent sans être créés ni détruits lors d’une réaction chimique.

• En 1908, Rutherford met en évidence le noyau atomique, puis Chadwick découvre le neutron en 1932.

Compléments

• Au Ve siècle av. J.-C., Leucippe et Démocrite défendent l’idée que l’univers est constitué de vide et d’atomes indivisibles qui s’assemblent pour former la matière. — Leucippe, Démocrite

• Entre 1897 et 1904, la découverte de l’électron conduit Thomson à proposer un modèle d’atome constitué d’une sphère de charge positive contenant des électrons.

💡 Astuce mémo

Dalton → Thomson → Rutherford → Chadwick

📖 2. Constituants de l’atome

🔑 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.

Compléments

• La masse de l’électron est environ 2000 fois plus faible que celle du proton ou du neutron, de sorte que l’essentiel de la masse atomique est concentré dans le noyau.

💡 Astuce mémo

Noyau massif et positif, électrons légers et négatifs

📖 3. Éléments, ions et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Élément chimique : Henry Moseley, 1913-1914 — Caractérisé par le nombre de protons contenus dans le noyau de ses atomes, appelé numéro atomique Z.

★ À maîtriser

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

📌 Des isotopes sont des nucléides d’un même élément chimique qui possèdent le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons.

Compléments

• L’ion oxyde O²⁻ est obtenu en ajoutant deux électrons à un atome d’oxygène de numéro atomique Z = 8, tandis que le cation sodium Na⁺ est obtenu en retirant un électron à un atome de sodium de Z = 11.

💡 Astuce mémo

Z identifie l’élément, les neutrons distinguent les isotopes, les électrons forment les ions

📖 4. Nucléides et notation atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléide : Défini par un couple constitué du nombre de protons et du nombre de neutrons présents dans son noyau.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le nombre de masse A est la somme du nombre de protons Z et du nombre de neutrons N : $A = Z + N$.

• Dans la notation conventionnelle d’un nucléide, X désigne le symbole de l’élément, A le nombre de masse et Z le numéro atomique.

Compléments

• Le carbone 14, noté ¹⁴₆C ou ¹⁴C, contient 6 protons, 6 électrons et 8 neutrons.

💡 Astuce mémo

A = Z + N

📖 5. Masses atomiques et molaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Unité de masse atomique : Également appelée Dalton Da, vaut un douzième de la masse d’un atome de carbone 12, soit $1{,}660\ 538\ 782 \times 10^{-27}\ \mathrm{kg}$.
• Constante d’Avogadro : Le nombre d’atomes présents dans 12 g de carbone 12, soit $6{,}022\ 141\ 79 \times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}$.
• Masse molaire : La masse d’une mole d’une entité chimique et s’exprime généralement en g mol⁻¹.

★ À maîtriser

📐 Formule — La masse molaire d’un élément est une moyenne pondérée des masses molaires de ses isotopes : $M = \sum_i a_i M_i$, où aᵢ est l’abondance isotopique et Mᵢ la masse molaire de l’isotope i.

Compléments

• Le lithium naturel contient 7,42 % de lithium 6 et 92,58 % de lithium 7, ce qui donne une masse molaire de 6,94 g mol⁻¹.

💡 Astuce mémo

Abondances isotopiques → masse molaire moyenne

📖 6. Radioactivité et stabilité nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité naturelle : Henri Becquerel, 1896 — Émission spontanée, naturelle et continue de rayonnements par certains éléments chimiques dont les noyaux sont instables.

📝 Points essentiels

• Une désintégration radioactive transforme un noyau instable en un noyau plus léger et plus stable, avec émission d’un rayonnement α ou β et dégagement d’énergie sous forme de rayonnement γ.

• Les rayons α sont des noyaux d’hélium 4 peu pénétrants, les rayons β⁻ sont des électrons de pénétration intermédiaire et les rayons γ sont des photons très énergétiques très pénétrants. — Rutherford, 1908

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

💡 Astuce mémo

α peu pénétrant, β intermédiaire, γ très pénétrant

📖 7. Lois des désintégrations radioactives

★ À maîtriser

📌 Lors d’une désintégration nucléaire, le nombre de masse total A et la charge électrique totale représentée par la somme des Z sont conservés selon la loi de Soddy, mais la nature des éléments et la masse totale ne sont pas conservées.

• Lors d’une émission α, un noyau X devient un noyau Y dont le nombre de masse diminue de 4 et le numéro atomique diminue de 2, avec émission d’un noyau d’hélium 4.

• Lors d’une émission β⁻, un neutron se transforme en proton et électron, de sorte que le noyau fils conserve A et possède un numéro atomique augmenté de 1.

Compléments

• La désintégration de l’uranium 238 en thorium 234 s’écrit ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He.

💡 Astuce mémo

α : A−4, Z−2 ; β− : A constant, Z+1

📖 8. Cinétique radioactive

🔑 Notions clés & Définitions

• Activité radioactive : L’activité A d’une source radioactive est la vitesse de désintégration de ses N noyaux et s’exprime en becquerels, avec 1 Bq = 1 s⁻¹.
• Temps de demi-vie : Le temps de demi-vie est la durée nécessaire pour que la moitié d’un échantillon radioactif se désintègre et vérifie $t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’activité radioactive vérifie $A = \lambda N$, où λ est la constante de vitesse de désintégration du noyau.

📐 Formule — La proportion de noyaux non désintégrés à l’instant t suit la loi $\frac{N}{N_0} = e^{-\lambda t}$.

Compléments

📐 Formule — L’énergie libérée par une désintégration radioactive est liée à la variation de masse par $E_{\mathrm{lib}} = \Delta m c^2$, avec une variation de masse négative pour le système.

💡 Astuce mémo

Désintégrations successives → activité et décroissance exponentielle

📊 Tableaux de synthèse

Constituants de l’atome

Rayonnements radioactifs