Un atome est composé d'un noyau et d'un cortège électronique : le minuscule noyau abrite les protons et les neutrons, tandis que les électrons se déplacent autour de lui. Avec seulement deux nombres du tableau périodique, on peut « assembler » n'importe quel atome : compter toutes ses particules et répartir les électrons sur les niveaux. Sur cette page : un modèle visuel de l'atome, les formules de Z et A, les isotopes, des exercices corrigés et un quiz interactif pour s'entraîner.
De quoi est composé un atome
L'atome est la plus petite particule d'un élément chimique qui en conserve les propriétés. Sa structure est plus simple qu'il n'y paraît — seulement deux « pièces » :
- Le noyau est le centre de l'atome. Deux sortes de particules y habitent : les protons, positifs, et les neutrons, neutres. Le noyau est incroyablement petit — environ 100 000 fois plus petit que l'atome entier —, mais il concentre plus de 99,9 % de la masse.
- Le cortège électronique est tout le reste de l'espace de l'atome, où les légers électrons négatifs se déplacent autour du noyau.
Si l'on agrandissait un atome à la taille d'un stade, le noyau serait un petit pois au centre du terrain — tout le reste est le cortège électronique, « presque vide ».
Protons, neutrons et électrons : les trois particules de l'atome
Tous les atomes de l'univers sont construits avec seulement trois sortes de particules — seul leur nombre change. Le plus simple est de les comparer selon trois critères : la charge, la masse et le « lieu de résidence ».
Le proton et le neutron ont presque la même masse — environ 1 u (unité de masse atomique) chacun. L'électron est environ 1836 fois plus léger, c'est pourquoi on néglige sa masse dans les calculs. En revanche, les charges du proton et de l'électron sont égales en valeur et de signes opposés : tant qu'un atome compte autant de protons que d'électrons, il est électriquement neutre.
Formules de l'atome : Z, A et le nombre de neutrons
La composition de tout atome se décrit avec deux nombres :
- Le numéro atomique Z est le nombre de protons dans le noyau. C'est aussi le numéro de l'élément dans le tableau périodique : n° 1, l'hydrogène (1 proton) ; n° 8, l'oxygène (8 protons) ; n° 79, l'or (79 protons). C'est pourquoi, dans le modèle planétaire de l'atome, le nombre de protons du noyau est égal au nombre d'électrons : l'atome est neutre, et à chaque proton correspond exactement un électron.
- Le nombre de masse A est le nombre total de particules dans le noyau : \(A = Z + N\), où N est le nombre de neutrons. D'où la formule clé des exercices scolaires : \(N = A - Z\).
La composition d'un atome s'écrit ainsi : \(^{A}_{Z}\text{X}\). Par exemple, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) est le chlore, avec 17 protons et 35 − 17 = 18 neutrons. Le mémo ci-dessous résume toute la méthode en trois lignes.
Le cortège électronique : des couches à 2, 8, 18
Les électrons ne volent pas n'importe comment autour du noyau : ils se placent sur des niveaux d'énergie (couches). Plus une couche est éloignée du noyau, plus elle peut accueillir d'électrons — le maximum se calcule avec la formule \(2n^2\) :
- 1re couche : au plus 2 électrons ;
- 2e couche : au plus 8 ;
- 3e couche : au plus 18 ;
- 4e couche : au plus 32.
Les couches se remplissent dans l'ordre, de la plus proche à la plus lointaine. Par exemple, chez l'oxygène (Z = 8), les électrons se répartissent en 2, 6 ; chez le sodium (Z = 11), en 2, 8, 1 ; chez le chlore (Z = 17), en 2, 8, 7. Les électrons de la couche externe sont appelés électrons de valence : ce sont eux qui participent aux réactions chimiques et déterminent les propriétés de l'élément.
Le tableau périodique indique aussi le nombre de couches : il est égal au numéro de la période où se trouve l'élément. Au lycée, les couches sont en plus divisées en sous-couches s, p, d, f, et l'on écrit les configurations électroniques — par exemple, celle de l'oxygène est 1s²2s²2p⁴.
Isotopes : un même élément, des atomes différents
On ne peut pas changer le nombre de protons d'un élément : ajoutez un proton au noyau et vous obtenez un autre élément. En revanche, le nombre de neutrons peut varier. Les isotopes sont des atomes d'un même élément avec le même Z mais un nombre de neutrons différent — et donc un nombre de masse A différent.
L'exemple classique est l'hydrogène et ses trois isotopes : le protium \(^{1}_{1}\text{H}\) (aucun neutron), le deutérium \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 neutron) et le tritium \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 neutrons). Chimiquement, les isotopes sont presque indiscernables : dans les réactions, ce sont les électrons qui jouent le rôle principal, et les isotopes en ont exactement autant.
C'est précisément à cause des isotopes que les masses atomiques du tableau périodique sont décimales : chacune est la moyenne pondérée de tous les isotopes naturels de l'élément. Celle du chlore, par exemple, vaut 35,45, car le chlore naturel est un mélange de chlore 35 et de chlore 37.
Modèles de l'atome : de la « particule insécable » au modèle planétaire
Le mot « atome » vient du grec atomos, « insécable » : c'est ainsi que Démocrite l'imaginait déjà, et au début du XIXe siècle John Dalton bâtit la première théorie scientifique sur l'idée d'un atome indivisible. Mais les découvertes du tournant des XIXe et XXe siècles ont montré que l'atome possède une structure interne.
- 1897 — le modèle de Thomson (le « pudding aux raisins »). J. J. Thomson découvre l'électron et suppose que les électrons sont incrustés dans un « milieu » chargé positivement, comme des raisins dans un pudding.
- 1911 — le modèle planétaire de Rutherford. En bombardant une feuille d'or de particules alpha, Ernest Rutherford découvre que presque toute la masse et toute la charge positive sont concentrées dans un noyau minuscule, autour duquel les électrons tournent comme les planètes autour du Soleil.
- 1913 — le modèle de Bohr. Niels Bohr précise : les électrons ne se déplacent pas sur n'importe quelle trajectoire, mais sur des orbites strictement définies, d'énergie fixe — ainsi sont nés les niveaux d'énergie.
- Années 1920 — le modèle quantique. La physique moderne décrit l'électron non comme une bille sur une orbite, mais comme un nuage électronique : une région de l'espace où l'électron peut se trouver avec une certaine probabilité.
La chimie scolaire utilise encore aujourd'hui le modèle planétaire à couches (comme sur le schéma ci-dessus) : sa précision suffit largement pour compter les particules et répartir les électrons.
Exemples : décortiquer un atome avec le tableau périodique
Exemple 1. Analyse complète de l'atome de chlore
Énoncé. Déterminez la composition de l'atome de chlore et répartissez ses électrons sur les couches. Dans le tableau périodique : le chlore Cl est l'élément n° 17, de masse atomique 35,45.
Étape 1. Numéro atomique Z = 17 → le noyau contient 17 protons.
Étape 2. L'atome est neutre → autant d'électrons : 17 électrons.
Étape 3. Le nombre de masse est la masse atomique arrondie : A = 35. Neutrons : \(N = A - Z = 35 - 17 = 18\).
Étape 4. On répartit les 17 électrons sur les couches, de la plus proche à la plus lointaine : 2, puis 8, il en reste 7 → 2, 8, 7. La couche externe compte 7 électrons de valence — ce sont eux qui déterminent les propriétés chimiques du chlore.
Réponse : 17 p⁺, 18 n⁰, 17 e⁻ ; couches électroniques : 2, 8, 7.
Exemple 2. Combien de neutrons possède l'uranium 235
Énoncé. Combien de neutrons compte le noyau de l'isotope d'uranium \(^{235}_{92}\text{U}\) ?
Étape 1. Lisons la notation : le nombre du bas est le numéro atomique, Z = 92 (protons) ; celui du haut est le nombre de masse, A = 235.
Étape 2. Calculons : \(N = A - Z = 235 - 92 = 143\).
Réponse : 143 neutrons. Remarquez : l'uranium naturel possède aussi l'isotope \(^{238}_{92}\text{U}\) — les mêmes 92 protons, mais 146 neutrons.
Exemple 3. Identifier l'élément d'après ses électrons
Énoncé. Les électrons d'un atome sont répartis sur les couches ainsi : 2, 8, 1. De quel élément s'agit-il ?
Étape 1. Comptons les électrons : 2 + 8 + 1 = 11.
Étape 2. Dans un atome neutre, il y a autant d'électrons que de protons → Z = 11.
Étape 3. Regardons le tableau périodique : l'élément n° 11 est le sodium Na.
Réponse : le sodium. On voit du même coup pourquoi il est si réactif : sa couche externe ne compte qu'un seul électron, que le sodium cède facilement.
Erreurs fréquentes dans les exercices sur la structure de l'atome
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Confondre masse atomique et nombre de masse : remplacer dans la formule N = A − Z la masse décimale du tableau (par exemple 35,45 pour le chlore).
Le nombre de masse A est toujours entier : c'est le nombre de particules (protons et neutrons) d'un atome donné. Pour les exercices, on arrondit la masse atomique du tableau à l'entier : pour le chlore, A = 35, donc N = 35 − 17 = 18.
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Croire que le numéro de l'élément est le nombre total de toutes les particules de l'atome.
Le numéro de l'élément Z n'est que le nombre de protons (et d'électrons dans un atome neutre). Les neutrons n'entrent pas dans Z : on les calcule à part, avec la formule N = A − Z.
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Placer les électrons dans le noyau : « l'atome est composé de protons, de neutrons et d'électrons situés dans le noyau ».
Le noyau ne contient que des protons et des neutrons. Les électrons se déplacent autour du noyau, dans le cortège électronique, à des distances des dizaines de milliers de fois supérieures à la taille du noyau lui-même.
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Compter les électrons d'un ion d'après le numéro de l'élément : dire que Na⁺ a « 11 électrons ».
Z ne donne le nombre d'électrons que pour un atome neutre. Un ion est chargé : Na⁺ a cédé un électron — il lui en reste 10 ; Cl⁻ en a gagné un — il en a 18. Le nombre de protons, lui, ne change pas.
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Remplir les couches à parts égales ou au hasard : écrire pour le chlore, par exemple, 8, 8, 1.
Les couches se remplissent strictement du noyau vers l'extérieur : d'abord la première (2 électrons au maximum), puis la deuxième (8), puis la troisième. Avec les 17 électrons du chlore, la bonne répartition est 2, 8, 7.
Questions et réponses
De quoi est composé un atome ? En bref
Un atome est composé d'un noyau et d'un cortège électronique. Le noyau est fait de protons (charge +1) et de neutrons (sans charge) ; le cortège, d'électrons (charge −1). Le nombre de protons est égal au numéro de l'élément dans le tableau périodique.
Pourquoi appelle-t-on l'atome une particule insécable s'il peut être divisé ?
Le nom vient du grec ancien atomos, « qu'on ne peut couper » : jusqu'à la fin du XIXe siècle, l'atome était considéré comme la « brique » la plus simple de la matière. Puis on a découvert l'électron et le noyau. Mais dans les réactions chimiques, l'atome ne se divise effectivement pas — seuls les cortèges électroniques se réorganisent —, si bien que pour la chimie, il reste la plus petite particule d'un élément.
Est-il vrai que l'atome est composé de protons et de neutrons ?
À moitié seulement : les protons et les neutrons composent le noyau. La composition complète de l'atome, c'est le noyau (protons + neutrons) plus les électrons, qui se déplacent autour du noyau et forment le cortège électronique.
Pourquoi, dans le modèle planétaire de l'atome, le nombre de protons du noyau est-il égal au nombre d'électrons ?
Parce que l'atome dans son ensemble est électriquement neutre : la charge positive du noyau (+Z, venant des protons) doit être entièrement compensée par la charge négative des électrons (−Z). Si l'atome perd ou gagne un électron, l'égalité est rompue : on obtient une particule chargée, un ion.
Comment trouver le nombre de protons, de neutrons et d'électrons avec le tableau périodique ?
Les protons correspondent au numéro atomique Z de l'élément. Un atome neutre a autant d'électrons. Pour les neutrons, arrondissez la masse atomique à l'entier (c'est le nombre de masse A) et soustrayez le numéro : N = A − Z. Par exemple, le fer, n° 26, de masse 56 : 26 protons, 26 électrons et 56 − 26 = 30 neutrons.
Pourquoi la masse atomique du tableau périodique est-elle décimale ?
Parce que c'est la moyenne de tous les isotopes naturels de l'élément, pondérée par leur abondance. Chaque atome pris isolément a un nombre de masse entier (35 ou 37 pour le chlore), mais la moyenne du mélange d'isotopes donne un nombre décimal : 35,45.
