Constituants de l'atome

Le noyau atomique


Mise en évidence de l’existence du noyau atomique

C'est Rutherford qui le premier a mis en évidence l'existence de zones particulières dans la matière et donc dans l'atome où sont concentrées des particules de charges positives qui seront appelées ensuite protons.

L'expérience de Rutherford consista à bombarder une fine feuille d'or par des noyaux d’Hélium (He2+). En étudiant les trajectoires de ces noyaux d'hélium, il constata que dans une large mesure ils traversaient la feuille mais que dans certaines zones, régulièrement espacées, les noyaux ne passaient pas : il venait de mettre en évidence la structure lacunaire de la matière et en déduisit l'existence du noyau atomique où se concentraient les charges positives, les protons.

Le proton avait été partiellement mis en évidence en 1886 par Eugen Goldstein. Ce n'est qu'en 1932 que Chadwick mettra en évidence l'existence du neutron comme particule constitutive de l'atome.


Caractéristiques du noyau atomique

Forme et volume

On considère en première approximation que le noyau est de forme sphérique et de volume incompressible.

Le volume du noyau d'hydrogène est noté V0 :

V0 = 4/3 p r3 ; r0 = 1,2 fm

Dans une loi approximative, on considère que le volume du noyau atomique est proportionnel au nombre de nucléons qui composent le noyau :

V = A.Vo

On en déduit

r = ro.A1/3

Relation que l'on peut utiliser pour prévoir le rayon moyen des noyaux atomiques de nucléides donnés :

r(4He) = 1,9 fm ; r(56Fe) = 4,5 fm ; r(238U) = 7,4 fm

Comparaison des dimensions du noyau et de l’atome

Le rayon du noyau est de l’ordre du fm. Le rayon de l'atome est de l’ordre du 100 pm : il existe donc un rapport de 10 000 à 100 000 sur les rayons. On en déduit que la matière est, à l'échelle atomique, de structure lacunaire.

Masse volumique du noyau

r = m / V = m (nucléon) / V (nucléon)

= 1,67.10-27 / (4/3 .pi.(1,2 10-15 )3)

= 230 1015 kg / m3.

= 230 000 T.mm-3.


Constitution du noyau

  Proton Neutron
Symbole H; 11 p 10 n
Masse » 1,673 10-27 kg
1,007276 u
938,3 Mev / c²
» 1,675 10-27 kg
1.008665 u
939,8 Mev /c²
Charge + 1,6 10-19 C 0
Rayon 1,2 fm 1,2 fm
Nombre Z : n° atomique ou nb de charge : caractérise l’élément A : nombre de masse
A = N + Z
A » masse de l’atome en u

Remarque : une théorie précise que les nuléons sont composés de quarks : p = u+u+d ; n = d+d+u ; d = 2/3, u = -1/3. Les e- sont eux des particules élémentaires.

 

Elément : ensemble des noyaux (atomes) de même nombre Z. 112 connus consignés dans la CPEM.

Nucléide : noyau (atome) caractérisé par un A et Z : AZX. 1500 connus dont 1200 d’instables (radioactifs).


Isotopes

Mise en évidence des isotopes

Des isotopes sont des nucléides de même Z et de A différents, par exemple :

126C, 136C, 146C, 157N, 147N, 23592U, 23892U.

Les isotopes ont les mêmes propriétés chimiques (exceptées des différences de cinétique de réaction décelables dans certaines conditions).

Quelques propriétés physiques diffèrent : toutes celles qui dépendent de la masse et des caractéristiques radioactives.

Identification et séparation des isotopes

  • Spectrographie de masse. Méthode de séparation très précise.
  • Effusion gazeuse. Séparation à travers des pores : la vitesse d’effusion suit la loi de Graham : v = k / Ö M. Application à la séparation des hexafluorures d’uranium pour l’enrichissement isotopique du combustible nucléaire.
  • Ultracentrifugation. Ultracentrifugation à 100 000 tr/min. Les isotopes les plus lourd sont concentrés dans le fond du tube.
  • Diffusion thermique. Fil chaud dans une colonne. Séparation 35-Cl / 37- Cl.
  • Distillation fractionnée. La vitesse d’évaporation µ 1 / M. On sépare ainsi D2O de H2O.
  • Electrolyse. Vitesse de migration dépend de la masse.On sépare ainsi D2O de H2O.
  • Séparation par laser. Rupture de liaison à l’intérieure d’une molécule en réglant la fréquence du laser sur la fréquence de vibration de la liaison. Les molécules d’un isotope donné restent intactes, les autres sont fragmentées.

Intérêt des traceurs radioactifs

On s'en sert pour la datation, comme pour le marquage isotopique utilisé en médecine aussi bien qu'en chimie organique pour l'élucidation des mécanismes réactionnels.


Bibliographie

Nucléons

  • Tith K. et Schäfer A. 1999 - Le spin des nucléons - Pour la Science, 262, p. 82-89.

Quark

  • Liss T. et Tipton P. 1997 - La découverte du quark top - Pour la Science, 240, p. 68-74.

Isotopes

  • Martin M.L. 1990 - Les isotopes au service de la qualité - Bull. Un. Phys., 725, p. 793-811. Généralités sur les isotopes, fractionnement isotopique naturel, utilisation pour l'élucidation des mécanismes réactionnels, assurance-qualité.

Bibliographie 

  • Klanner R. 2001 - La vie intérieure du proton - Pour la Science, 284, p. 86-93.

Bibliographie expérimentale

  • O'Malley R.M. 1982 - The Determination of the Natural Abundance of the Isotopes of Chlorine. An Introductory Experiment in Mass Spectroscopy - J. Chem. Ed., 59, p. 1073-1076.

 


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