Fiche de révision : Modèles pour l’atome

📋 Plan du Cours

1. Évolution historique des modèles atomiques
2. Structure et constituants de l’atome
3. Éléments, ions et isotopes
4. Masse atomique et masse molaire
5. Photons et échanges d’énergie
6. Modèle de Bohr et hydrogène

📖 1. Évolution historique des modèles atomiques

★ À maîtriser

• 🔄 Les principaux modèles apparaissent dans l’ordre suivant:
  1. Dalton en 1803
  2. Thomson vers 1900
  3. Rutherford en 1911
  4. Bohr en 1913
  5. Schrödinger en 1926

Compléments

• Vers 400 av. J.-C., Démocrite propose la première idée grecque de l’atome.

• Les expériences associées à l’évolution des modèles ont notamment permis la découverte de l’électron, la mise en évidence du noyau, puis l’introduction de la théorie quantique et de la quantification de l’énergie.

💡 Astuce mémo

Démocrite → Dalton → Thomson → Rutherford → Bohr → Schrödinger

📖 2. Structure et constituants de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau chargé positivement, composé de protons et de neutrons, autour duquel évoluent des électrons.

★ À maîtriser

• L’atome a une structure lacunaire : le noyau central a un rayon de l’ordre de $10^{-15}\ \mathrm{m}$, tandis que la taille de l’ensemble atomique est de l’ordre de $10^{-10}\ \mathrm{m}$.

📐 Formule — Le numéro atomique vérifie $Z=\text{nombre de protons}$ et le nombre de masse vérifie $A=\text{nombre de nucléons}=\text{protons}+\text{neutrons}$.

• Un atome possédant Z protons possède également Z électrons lorsqu’il est électriquement neutre.

📌 Les neutrons assurent la cohésion du noyau par des forces nucléaires, tandis que les forces électrostatiques entre protons et électrons de charges opposées assurent la cohésion de l’atome.

• Les protons portent la charge $+1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{C}$, les neutrons ont une charge nulle et les électrons portent la charge $-1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{C}$.

Compléments

📐 Formule — Le nombre de neutrons est donné par $N=A-Z$.

• La masse du proton et celle du neutron sont chacune d’environ $1{,}7\times10^{-24}\ \mathrm{g}$, alors que la masse de l’électron est d’environ $0{,}9\times10^{-27}\ \mathrm{g}$ et est négligeable devant celles des nucléons.

💡 Astuce mémo

Un petit noyau massif au centre d’un immense espace presque vide

📖 3. Éléments, ions et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Élément chimique : Défini par son numéro atomique Z et son symbole X.
• Isotopes : Espèces d’un même élément possédant le même nombre de protons, donc le même Z, mais un nombre de neutrons différent et donc un nombre de masse A différent.

★ À maîtriser

📌 Un cation possède moins d’électrons que l’atome neutre correspondant, tandis qu’un anion possède davantage d’électrons.

📌 Pour un ion X^{n+}, le nombre d’électrons est Z−n, tandis que pour un ion X^{n−}, il est Z+n.

Compléments

• Les isotopes du carbone sont $^{12}_{6}\mathrm{C}$, $^{13}_{6}\mathrm{C}$ et $^{14}_{6}\mathrm{C}$, tandis que ceux de l’hydrogène comprennent le protium, le deutérium $^{2}_{1}\mathrm{D}$ et le tritium $^{3}_{1}\mathrm{T}$.

💡 Astuce mémo

Même Z = même élément ; A ou électrons différents = isotope ou ion

📖 4. Masse atomique et masse molaire

★ À maîtriser

• Le nombre d’Avogadro vaut $N_A=6{,}02\times10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$.

📌 La masse atomique d’un atome est égale à A en unités de masse atomique, et la masse molaire atomique du même élément est égale à A en grammes par mole.

• Une mole d’atomes contient $6{,}02\times10^{23}$ atomes et possède une masse de A grammes.

Compléments

• Une unité de masse atomique vaut environ $1{,}7\times10^{-24}\ \mathrm{g}$ et correspond à « 1/NA » gramme.

💡 Astuce mémo

A nucléons → A unités de masse atomique → A grammes par mole

📖 5. Photons et échanges d’énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Photon : Einstein, 1921 — Particule qui transporte l’énergie d’un rayonnement lumineux, chaque photon portant un quantum d’énergie.

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’énergie d’un photon est donnée par $E=h\nu$, où h est la constante de Planck et ν la fréquence du rayonnement.

• Les fréquences des radiations émises ou absorbées par des atomes ne peuvent prendre que certaines valeurs, ce qui révèle des niveaux d’énergie quantifiés.

• Lors d’une émission, l’électron passe d’un niveau supérieur à un niveau inférieur et l’atome émet un photon d’énergie $E_1-E_2=h\nu$.

• Lors d’une absorption, l’électron passe d’un niveau inférieur à un niveau supérieur et absorbe un photon d’énergie $E_2-E_1=h\nu$.

💡 Astuce mémo

Absorption : l’électron monte ; émission : l’électron descend

📖 6. Modèle de Bohr et hydrogène

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle de Bohr : Bohr, 1913 — L’électron décrit autour du noyau des orbites circulaires de rayons et d’énergies bien définis, une orbite correspondant à une énergie donnée.

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie du niveau n vaut $E_n=-\frac{13{,}6}{n^2}\ \mathrm{eV}$, avec $1\ \mathrm{eV}=1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{J}$.

• L’état fondamental de l’atome d’hydrogène correspond à n=1 et à une énergie de −13,6 eV, tandis que l’ionisation correspond à une énergie tendant vers zéro et nécessite 13,6 eV.

Compléments

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, le rayon de l’orbite n vaut $R_n=a_0n^2=53n^2\ \mathrm{pm}$.

📌 Le nombre quantique principal n est un entier non nul qui caractérise le niveau énergétique de l’électron.

• Le passage de l’électron de l’état fondamental n=1 au niveau n=2 absorbe un photon d’énergie 10,2 eV.

💡 Astuce mémo

Niveau n bas → absorption → niveau n haut ; niveau n haut → émission → niveau n bas

📊 Tableaux de synthèse

Particules de l’atome