Fiche de révision : Structure de la matière

📋 Plan du Cours

1. Constitution générale de la matière
2. Modèles historiques de l’atome
3. Quantification des niveaux électroniques
4. Composition et notation du noyau
5. Familles et particules nucléaires
6. Dimensions et masse nucléaires
7. Défaut de masse et liaison nucléaire
8. Modèles du noyau atomique
9. Forces et stabilité des noyaux

📅 Repères chronologiques

1. Ve siècle avant J.-C.Leucippe et Démocrite supposent que la matière est constituée de particules indivisibles appelées atomes.
2. 1897Thomson découvre l’électron, premier composant de l’atome découvert.
3. 1932J. Chadwick découvre le neutron, qui est électriquement neutre.

📖 1. Constitution générale de la matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Matière : Ensemble des composantes inertes et vivantes de la nature, comprenant tout ce qui nous entoure.

★ À maîtriser

• Les molécules résultent de l’association d’atomes identiques ou non, et les molécules identiques ou différentes constituent respectivement les corps purs moléculaires ou les mélanges.

Compléments

• Les rayonnements ionisants proviennent de la matière et interagissent avec elle, ce qui rend utile l’étude de la structure de l’atome et du noyau pour comprendre leurs interactions, leurs effets biologiques et leurs applications médicales.

💡 Astuce mémo

Matière → molécules → atomes

📖 2. Modèles historiques de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle de Thomson : THOMSON, 1904 - Sphère uniformément chargée positivement dans laquelle des électrons au repos sont distribués.
• Modèle de Rutherford : RUTHERFORD, 1910 - Noyau central positif concentrant l’essentiel de la masse, autour duquel gravitent les électrons comme des planètes autour du Soleil.

📝 Points essentiels

• L’expérience de Rutherford consiste à bombarder une mince feuille d’or avec des particules α et conduit au rejet de l’hypothèse de Thomson.

💡 Astuce mémo

Dans le pudding de Thomson, les électrons sont les raisins d’une sphère positive.

📖 3. Quantification des niveaux électroniques

★ À maîtriser

📌 Dans le modèle de Bohr, seules certaines orbites quantifiées sont permises aux électrons et l’émission ou l’absorption de lumière ne se produit que lors d’un saut entre deux orbites.

• L’émission correspond au saut discret d’un électron d’une couche externe vers une couche interne, tandis que l’absorption correspond au saut d’une couche interne vers une couche externe.

📌 Selon le principe d’exclusion de Pauli, deux électrons d’un même atome ne peuvent pas avoir les quatre nombres quantiques n, l, m et s identiques.

Compléments

• Selon la théorie électromagnétique de Maxwell, un électron en orbite autour du noyau devrait émettre un rayonnement, perdre de l’énergie et finir par tomber sur le noyau.

• Les couches électroniques sont nommées K pour n=1, L pour n=2 et M pour n=3.

📌 Il y a ionisation lorsque l’énergie absorbée par l’atome est supérieure à l’énergie de liaison de l’électron.

• La configuration électronique est caractérisée par quatre nombres quantiques :

  • le nombre principal n
  • le nombre orbital l
  • le nombre magnétique m
  • le nombre de spin s

• Une couche électronique de numéro principal n est complète lorsqu’elle contient $2n^2$ électrons. - PAULI

💡 Astuce mémo

Bohr : orbites permises et sauts lumineux ; Rutherford : électrons en orbite instable.

📖 4. Composition et notation du noyau

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Ensemble électriquement neutre constitué d’un noyau central positif et d’un cortège électronique dont la charge équilibre celle du noyau.
• Numéro atomique : Nombre de protons du noyau.
• Nombre de masse : Nombre total de nucléons, égal à la somme du nombre de protons Z et du nombre de neutrons N.

★ À maîtriser

• Le noyau atomique est un assemblage de nucléons, c’est-à-dire de protons et de neutrons.

Compléments

• Le proton porte la charge élémentaire positive $q_p=+e$ et le neutron a une charge nulle.

📐 Formule - Le nombre de neutrons vérifie $N=A-Z$.

📖 5. Familles et particules nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléide : Noyau caractérisé par un nombre déterminé de protons et de neutrons.

★ À maîtriser

• Des isotopes ont le même nombre de protons Z et des nombres de neutrons différents, tandis que des isobares ont le même nombre de masse A et des nombres de protons différents.

• Des isotones ont le même nombre de neutrons N mais des nombres de protons Z et des nombres de masse A différents.

• Des isomères ont les mêmes nombres de masse A et de protons Z, mais diffèrent par leur niveau d’énergie nucléaire.

Compléments

📌 Un état fondamental est l’état d’énergie minimale, un état excité est très instable et dure en moyenne moins de $10^{-12}$ s, tandis qu’un état métastable est instable mais dure en moyenne plus de $10^{-12}$ s et peut persister plusieurs heures.

• Le positon β+ a une durée de vie brève, une masse m et une charge +e, tandis que le négaton β− est stable et possède la même masse et la même charge que l’électron.

• Le neutrino et l’antineutrino ont une charge nulle et une masse nettement inférieure à celle de l’électron.

• La particule α est un noyau d’hélium constitué de deux protons et de deux neutrons.

💡 Astuce mémo

Isotopes : même Z ; isobares : même A ; isotones : même N ; isomères : même A et Z.

📖 6. Dimensions et masse nucléaires

★ À maîtriser

📐 Formule - Le volume nucléaire est proportionnel au nombre de masse A et vérifie $V=A V_0$, où $V_0$ est le volume d’un nucléon.

📐 Formule - Le rayon d’un noyau vérifie $r=r_0A^{1/3}$, avec $r_0=1.2\,\mathrm{fm}$.

• Le noyau concentre environ 99,95 à 99,98 % de la masse de l’atome, tandis que le cortège électronique occupe une région de dimension caractéristique d’environ $10^{-10}\,\mathrm{m}$ contre une dimension nucléaire de l’ordre de $10^{-15}\,\mathrm{m}$.

Compléments

• Un femtomètre, ou fermi, vaut $10^{-15}\,\mathrm{m}$.

• L’unité de masse atomique est liée à l’énergie par $1\,\mathrm{uma}=931\,\mathrm{MeV}/c^2$.

• La masse volumique nucléaire est donnée comme sensiblement identique pour tous les noyaux et vaut $2.3\times10^{17}\,\mathrm{kg/m^3}$.

📖 7. Défaut de masse et liaison nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Défaut de masse : Différence entre la somme des masses des nucléons séparés et la masse du noyau lié.
• Énergie de liaison : Énergie qu’il faut fournir à un noyau pour le séparer en ses nucléons et correspondant à l’énergie associée au défaut de masse.

★ À maîtriser

📐 Formule - La somme des masses des nucléons séparés est $Zm_p+Nm_n$, et le défaut de masse du noyau est $\Delta m=(Zm_p+Nm_n)-M$.

Compléments

📐 Formule - L’énergie de liaison vérifie $E_l=\Delta mc^2$.

📐 Formule - L’énergie de liaison par nucléon est $E_l/A=\Delta mc^2/A$ et elle est proche de $8\,\mathrm{MeV/nucléon}$ pour la plupart des nucléides.

• La courbe d’Aston représente l’énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse A et indique que les noyaux de masse atomique moyenne sont les plus stables.

• Les noyaux légers et lourds ont une énergie de liaison par nucléon plus faible que les noyaux moyens et peuvent tendre vers la fusion ou la fission, spontanément ou sous l’action d’une cause extérieure.

💡 Astuce mémo

Défaut de masse → énergie de liaison qui maintient la cohésion du noyau.

📖 8. Modèles du noyau atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle en couches : Nucléons répartis sur des niveaux énergétiques définis et caractérisés par quatre nombres quantiques.
• Modèle de la goutte liquide : Assimilation du noyau à une goutte dont la tension superficielle insuffisante peut conduire à la séparation en plusieurs morceaux.
• Modèle collectif : Association du modèle de la goutte liquide pour le cœur du noyau et du modèle en couches pour sa périphérie.

📝 Points essentiels

• Le modèle de la goutte liquide explique la fission spontanée et la radioactivité α.

• Dans le modèle en couches, les transitions entre niveaux nucléaires expliquent l’émission de photons γ.

📖 9. Forces et stabilité des noyaux

★ À maîtriser

📌 Les forces coulombiennes ou électrostatiques sont répulsives et s’exercent sur les protons, tandis que les forces de cohésion nucléaire sont attractives, agissent entre nucléons indépendamment de leur charge et ont une portée de quelques fermis.

• Pour Z inférieur à 30, les noyaux stables ont à peu près autant de protons que de neutrons et se regroupent près de la première bissectrice du diagramme neutron-proton.

📐 Formule - Pour les éléments lourds, la relation indiquée entre neutrons et protons est $N=1.5Z+10$.

Compléments

• Les forces de cohésion nucléaire sont extrêmement intenses et correspondent à l’interaction forte.

• Les forces d’interaction nucléaire faible ne sont ni attractives ni répulsives et sont responsables de la transformation d’un neutron en proton et inversement.

• Parmi environ 1 500 nucléides connus, environ 275 sont stables.

💡 Astuce mémo

Coulomb repousse les protons ; l’interaction forte attire les nucléons.