QCM : L’atome et les transformations nucléaires — 17 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle structure de l’atome Rutherford propose-t-il en 1911 ?

Des couches électroniques sans région centrale dense
Une sphère positive contenant des électrons encastrés
Une masse négative entourant un centre neutre
Un noyau dense et positif entouré d’électrons

Un noyau dense et positif entouré d’électrons

Explication

Rutherford introduit l’idée d’un noyau central, dense et positif autour duquel les électrons gravitent, révélant que l’atome est principalement lacunaire. La sphère positive contenant des électrons encastrés correspond au modèle de Thomson.

2. Pourquoi un atome isolé est-il électriquement neutre ?

Ses électrons neutralisent la charge des neutrons
Il contient autant de neutrons que de protons
Il possède autant de protons que d’électrons
Son noyau contient autant de charges positives que négatives

Il possède autant de protons que d’électrons

Explication

La neutralité électrique résulte de l’égalité entre le nombre de protons positifs et celui des électrons négatifs, soit ZZ de chaque. Les neutrons sont dépourvus de charge électrique et ne compensent donc pas les protons.

3. Pour un atome noté 1327Al^{27}_{13}\mathrm{Al}, combien de neutrons le noyau contient-il ?

13 neutrons
27 neutrons
14 neutrons
40 neutrons

14 neutrons

Explication

Le nombre de neutrons se calcule avec N=A−ZN=A-Z, donc N=27−13=14N=27-13=14. Le nombre 1313 correspond au numéro atomique et au nombre de protons dans cet atome neutre.

4. Quelle expression représente la masse d’un atome noté ZAX^{A}_{Z}X ?

m=Zmp+Amn+Zmem=Zm_p+Am_n+Zm_e
m=Amp+Zmn+(A−Z)mem=Am_p+Zm_n+(A-Z)m_e
m=(A−Z)mp+Zmn+Amem=(A-Z)m_p+Zm_n+Am_e
m=Zmp+(A−Z)mn+Zmem=Zm_p+(A-Z)m_n+Zm_e

$$m=Zm_p+(A-Z)m_n+Zm_e$$

Explication

L’atome contient ZZ protons, A−ZA-Z neutrons et, lorsqu’il est neutre, ZZ électrons, d’où l’expression proposée. L’expression utilisant AA neutrons confond le nombre de masse avec le nombre de neutrons.

5. Quelle comparaison décrit correctement les dimensions et la masse de l’atome et de son noyau ?

L’atome et le noyau mesurent environ 10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m}, et leur masse se répartit de façon comparable
L’atome mesure environ 10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m}, le noyau environ 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m}, et le noyau contient plus de 99,9 % de la masse
L’atome mesure environ 10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m}, le noyau environ 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m}, et les électrons contiennent plus de 99,9 % de la masse
L’atome mesure environ 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m}, le noyau environ 10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m}, et les électrons portent l’essentiel de la masse

L’atome mesure environ $$10^{-10}\,\mathrm{m}$$, le noyau environ $$10^{-15}\,\mathrm{m}$$, et le noyau contient plus de 99,9 % de la masse

Explication

Le rayon atomique est de l’ordre de 10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m}, tandis que celui du noyau est d’environ 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m}; le noyau concentre plus de 99,9 % de la masse. Les électrons contribuent très peu à la masse totale, contrairement aux nucléons.

6. Dans quel ordre les sous-couches électroniques se remplissent-elles pour un atome de numéro atomique inférieur ou égal à 18 ?

2s, 1s, 2p, 3s, puis 3p
1s, 2p, 2s, 3p, puis 3s
1s, 2s, 2p, 3s, puis 3p
1s, 3s, 2s, 2p, puis 3p

1s, 2s, 2p, 3s, puis 3p

Explication

Pour ces atomes, le remplissage suit l’ordre énergétique 1s1s, 2s2s, 2p2p, 3s3s, puis 3p3p. Intervertir 2s2s et 2p2p ou placer une sous-couche de la troisième couche trop tôt ne respecte pas cet ordre.

7. Quel rôle les électrons de valence jouent-ils principalement dans un atome ?

Ils définissent le numéro atomique en remplaçant les protons du noyau
Ils occupent les couches internes et restent éloignés des interactions chimiques
Ils constituent la masse principale du noyau et fixent le nombre de neutrons
Ils déterminent les propriétés chimiques et participent aux liaisons

Ils déterminent les propriétés chimiques et participent aux liaisons

Explication

Les électrons de valence sont ceux de la couche externe; ils interviennent dans les propriétés chimiques et la formation des liaisons. Les électrons des couches internes sont des électrons de cœur et ne définissent pas le numéro atomique.

8. Que se passe-t-il lorsqu’un atome se transforme en ion monoatomique ?

Il devient un anion en perdant des électrons ou un cation en gagnant des protons
Il devient un cation en gagnant des électrons ou un anion en perdant des électrons
Il devient un cation en perdant des protons ou un anion en gagnant des neutrons
Il devient un cation en perdant des électrons ou un anion en gagnant des électrons

Il devient un cation en perdant des électrons ou un anion en gagnant des électrons

Explication

La perte d’électrons laisse un excès de charges positives et forme un cation, tandis que le gain d’électrons forme un anion négatif. Les transformations ioniques usuelles concernent les électrons, non le nombre de protons ou de neutrons.

9. Selon quel critère principal le tableau périodique moderne classe-t-il les éléments ?

Par nombre d’électrons de valence, en organisant métaux et non-métaux
Par nombre de neutrons croissant, en organisant lignes et blocs
Par masse atomique décroissante, en organisant groupes et isotopes
Par numéro atomique croissant, en organisant périodes et familles

Par numéro atomique croissant, en organisant périodes et familles

Explication

Le tableau périodique moderne ordonne les éléments selon leur numéro atomique croissant, tandis que ses lignes sont les périodes et ses colonnes les familles. Le nombre de neutrons caractérise notamment les isotopes, mais ne constitue pas le critère de classement périodique.

10. Quel ion un métal alcalin de la colonne 1 forme-t-il généralement après avoir perdu son électron de valence ?

Un ion X−X^-
Un ion X2+X^{2+}
Un ion X+X^+
Un atome neutre excité

Un ion $$X^+$$

Explication

Un métal alcalin possède un électron de valence et devient généralement un ion X+X^+ en le perdant. La charge X2+X^{2+} correspond plutôt au comportement général des alcalino-terreux de la colonne 2.

11. Un élément de la colonne 2 perd ses deux électrons de valence : quelle espèce ionique forme-t-il généralement ?

Un ion X−X^-
Un ion X2+X^{2+}
Un ion X2−X^{2-}
Un ion X+X^+

Un ion $$X^{2+}$$

Explication

Les métaux alcalino-terreux de la colonne 2 possèdent deux électrons de valence et forment généralement des ions X2+X^{2+} en les perdant. L’ion X−X^- est associé au gain d’un électron par un halogène.

12. Quelle comparaison décrit correctement les halogènes et les gaz nobles ?

Les halogènes possèdent une couche externe saturée, tandis que les gaz nobles gagnent généralement un électron
Les halogènes forment généralement des ions X2+X^{2+}, tandis que les gaz nobles forment des ions X−X^-
Les halogènes perdent généralement deux électrons, tandis que les gaz nobles gagnent un électron
Les halogènes gagnent généralement un électron, tandis que les gaz nobles ont une couche externe saturée

Les halogènes gagnent généralement un électron, tandis que les gaz nobles ont une couche externe saturée

Explication

Les halogènes de la colonne 17 possèdent sept électrons de valence et gagnent généralement un électron pour former des ions X−X^-, alors que les gaz nobles ont une couche externe saturée. La charge positive X2+X^{2+} caractérise plutôt les alcalino-terreux.

13. Quelle caractéristique permet de reconnaître deux atomes comme des isotopes d’un même élément ?

Ils ont le même nombre de masse et le même nombre de protons
Ils ont le même nombre de neutrons, mais des numéros atomiques différents
Ils ont des nombres de protons différents, mais le même nombre de masse
Ils ont le même nombre de protons, mais des nombres de masse différents

Ils ont le même nombre de protons, mais des nombres de masse différents

Explication

Des isotopes possèdent le même numéro atomique, donc le même nombre de protons, mais des nombres de masse différents à cause de nombres de neutrons différents. Des numéros atomiques différents correspondent à des éléments chimiques différents.

14. Dans une réaction nucléaire, quelles égalités expriment respectivement la conservation de la charge et celle du nombre de nucléons ?

Z1+Z2=Z3+Z4Z_1+Z_2=Z_3+Z_4 et A1+A2=A3+A4A_1+A_2=A_3+A_4
A1+A2=A3+A4A_1+A_2=A_3+A_4 et Z1+Z2=Z3+Z4Z_1+Z_2=Z_3+Z_4
Z1+Z3=Z2+Z4Z_1+Z_3=Z_2+Z_4 et A1+A3=A2+A4A_1+A_3=A_2+A_4
Z1+Z2=A3+A4Z_1+Z_2=A_3+A_4 et A1+A2=Z3+Z4A_1+A_2=Z_3+Z_4

$$Z_1+Z_2=Z_3+Z_4$$ et $$A_1+A_2=A_3+A_4$$

Explication

La conservation de la charge impose l’égalité des sommes des numéros atomiques ZZ, tandis que la conservation du nombre de nucléons impose l’égalité des sommes des nombres de masse AA. Intervertir ces deux relations revient à attribuer à ZZ la conservation des nucléons et à AA celle de la charge.

15. Quel phénomène correspond à la fission nucléaire ?

La transformation d’un atome neutre en ion par perte d’électrons
L’association de deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd
L’éclatement d’un noyau lourd en noyaux plus légers, avec émission possible de neutrons
La séparation d’un noyau léger en particules sans libération d’énergie

L’éclatement d’un noyau lourd en noyaux plus légers, avec émission possible de neutrons

Explication

La fission est l’éclatement d’un noyau lourd, généralement sous l’impact d’un neutron, et elle peut libérer de l’énergie ainsi que des neutrons capables d’entretenir une réaction en chaîne. L’association de deux noyaux légers décrit la fusion nucléaire.

16. Quel phénomène se produit au cœur du Soleil ?

La désintégration d’un noyau sans association de noyaux et sans transfert d’énergie
La fission d’un noyau lourd en deux noyaux plus légers, avec absorption d’énergie
La capture d’un électron par un atome lourd, avec formation d’un ion négatif
La fusion de deux noyaux légers en un noyau plus lourd, avec libération d’énergie

La fusion de deux noyaux légers en un noyau plus lourd, avec libération d’énergie

Explication

Au cœur du Soleil, la fusion associe deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd et libérer une énergie considérable. La fission correspond au processus inverse sur le plan de la structure nucléaire, puisqu’elle sépare un noyau lourd.

17. Quelle relation relie l’énergie EE à la masse mm selon Einstein, avec cc la vitesse de la lumière ?

E=mc2E=mc^2
E=mc2E=\frac{m}{c^2}
E=mcE=mc
E=m2cE=m^2c

$$E=mc^2$$

Explication

Selon Einstein en 1905, l’équivalence masse-énergie s’écrit E=mc2E=mc^2, où cc est la vitesse de la lumière, environ 3×108 m⋅s−13\times10^8\ \text{m·s}^{-1}. Les autres expressions ne correspondent pas à cette relation physique.

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Comment Thomson décrit-il l'atome en 1905 ?

Comme une sphère chargée positivement avec des électrons négatifs encastrés.

Que propose Rutherford en 1911 sur la structure de l'atome ?

Un noyau dense et positif au centre avec des électrons qui gravitent autour.

Quelle structure de l'atome révèle la proposition de Rutherford ?

Une structure lacunaire de l'atome.

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