Modèle atomique
La plupart des matières sont constituées d’un agglomérat de molécules, qui peuvent être séparées relativement facilement. Les molécules, à leur tour, sont composées d’atomes reliés par des liaisons chimiques qui sont plus difficiles à rompre. Chaque atome individuel est constitué de particules plus petites, à savoir des électrons et des noyaux. Ces particules sont chargées électriquement, et les forces électriques sur la charge sont responsables de la cohésion de l’atome. Les tentatives de séparation de ces plus petites particules constitutives nécessitent des quantités d’énergie toujours plus importantes et aboutissent à la création de nouvelles particules subatomiques, dont beaucoup sont chargées.
Comme indiqué dans l’introduction de cet article, un atome est constitué en grande partie d’espace vide. Le noyau est le centre chargé positivement d’un atome et contient la majeure partie de sa masse. Il est composé de protons, qui ont une charge positive, et de neutrons, qui n’ont pas de charge. Les protons, les neutrons et les électrons qui les entourent sont des particules à longue durée de vie présentes dans tous les atomes ordinaires et naturels. D’autres particules subatomiques peuvent être trouvées en association avec ces trois types de particules. Cependant, elles ne peuvent être créées que par l’ajout d’énormes quantités d’énergie et ont une durée de vie très courte.
Tous les atomes ont à peu près la même taille, qu’ils aient 3 ou 90 électrons. Environ 50 millions d’atomes de matière solide alignés en ligne mesureraient 1 cm (0,4 pouce). Une unité de longueur pratique pour mesurer la taille des atomes est l’angström (Å), défini comme 10-10 mètre. Le rayon d’un atome mesure 1-2 Å. Par rapport à la taille globale de l’atome, le noyau est encore plus minuscule. Il est dans la même proportion par rapport à l’atome qu’une bille par rapport à un terrain de football. En volume, le noyau occupe seulement 10 à 14 mètres de l’espace de l’atome, soit une partie sur 100 000. Une unité de longueur pratique pour mesurer la taille des noyaux est le femtomètre (fm), qui équivaut à 10-15 mètres. Le diamètre d’un noyau dépend du nombre de particules qu’il contient et va d’environ 4 fm pour un noyau léger comme le carbone à 15 fm pour un noyau lourd comme le plomb. Malgré la petite taille du noyau, la quasi-totalité de la masse de l’atome y est concentrée. Les protons sont des particules massives, chargées positivement, tandis que les neutrons n’ont pas de charge et sont légèrement plus massifs que les protons. Le fait que les noyaux puissent compter de 1 à près de 300 protons et neutrons explique la grande variation de leur masse. Le noyau le plus léger, celui de l’hydrogène, est 1 836 fois plus massif qu’un électron, tandis que les noyaux lourds sont près de 500 000 fois plus massifs.
Propriétés de base
La caractéristique la plus importante d’un atome est son numéro atomique (généralement désigné par la lettre Z), qui est défini comme le nombre d’unités de charge positive (protons) dans le noyau. Par exemple, si un atome a un Z de 6, il s’agit du carbone, tandis qu’un Z de 92 correspond à l’uranium. Un atome neutre possède un nombre égal de protons et d’électrons de sorte que les charges positives et négatives s’équilibrent exactement. Comme ce sont les électrons qui déterminent la façon dont un atome interagit avec un autre, c’est finalement le nombre de protons dans le noyau qui détermine les propriétés chimiques d’un atome.