Les dimensions de l'atome - Maxicours

Les dimensions de l'atome

Objectif
Sachant que l'atome est représenté par une sphère délimitée par le nuage électronique dont le centre est le noyau, il faut connaître les ordres de grandeur des différentes dimensions de l'atome tant du point de vue de sa taille que de sa masse.
1. Dimensions dans l'atome
a. Le rayon atomique
La sphère représentant l'atome, d'après le modèle de Rutherford, possède un rayon qui englobe le noyau et va jusqu'aux limites du nuage électronique.
L'ordre de grandeur du rayon de l'atome est de 10-10 m = 100 pm car 1 pm = 10-12 m.
Plus un atome possède de nucléons et d'électrons, plus le volume de la sphère atomique associée au noyau est important donc plus le rayon de l'atome noté ra est grand.

Exemples :
ra  = 50 pm  et ra  = 270 pm
b. Le rayon du noyau
L'ordre de grandeur du rayon du noyau atomique est de : 10-15 m = 1 fm.
Donc le rayon du noyau est 100 000 fois ou 105 fois plus petit que celui de l'atome.

Exemple :
Si le noyau était une orange de 3 centimètres de rayon, l'atome aurait un rayon de 3 kilomètres.
c. Vide de la structure atomique
Les électrons qui gravitent autour du noyau sont très petits et peu nombreux, entre le noyau et le rayon atomique il existe donc un vide dans lequel les électrons se déplacent : on dit que l'atome possède une structure lacunaire.

2. Masses caractéristiques de l'atome
a. Masse du noyau
Le noyau d'un atome est constitué de nucléons de deux types : les neutrons et les protons.
Pour calculer la masse du noyau d'un atome, il suffit donc d'additionner les masses des particules qui le constituent grâce aux valeurs suivantes :

Particule Masse en kg
Proton mp = 1,673·10-27 kg
Neutron mn = 1,675·10-27 kg 

mnoyau = mp × (nombre de protons) + mn × (nombre de neutrons)
            = mp × (Z) + mn × (A - Z)

Exemple :
Le fer  possède 26 protons et 56 nucléons donc 56 - 26 = 30 neutrons

mnoyau (Fe) = mp × (Z) + mn × (A - Z)
mnoyau (Fe) = 1,673·10-27 × (26) + 1,675·10 -27 × (30) = 9,375·10 -26 kg
b. Masse des électrons
Voici un tableau présentant les masses des particules constituant l'atome :

Particule Masse en kg
Proton mp = 1,673·10-27 kg
Neutron mn = 1,675·10-27 kg
Electron me = 9,110·10-31 kg


Remarque : environ

Les électrons possèdent une masse 2 000 fois plus faible que celle des nucléons.
c. Masse de l'atome
On remarque que la masse d'un électron est très petite comparée à celle des nucléons, donc la masse de l'atome est concentrée dans son noyau.
Les masses des protons et des neutrons sont quasiment identiques aussi, si on néglige la masse des électrons, on peut écrire que la masse de l’atome est égale au nombre de nucléons A multiplié par la masse d’un nucléon (proton ou neutron) :
matome ≈ (A) × mp.
L'essentiel
L'atome possède une structure lacunaire, c'est-à-dire qu’il est essentiellement composé de vide.

Le rayon de l’atome est de l’ordre de 10-10 m et celui du noyau de l’ordre de 10-15 m, d’où le rapport suivant :

Donc le rayon de l’atome est 100 000 fois plus grand que le rayon du noyau.
Les masses des neutrons et protons sont très supérieures à celle des électrons donc la masse de l'atome est concentrée dans son noyau :
matome ≈ (A) × mp.

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