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Les particules élémentaires

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Objectif(s)

Les philosophes grecs depuis Démocrite (IV^e siècle avant J.C.) ont longtemps supposé que l'atome était la plus petite particule composant la matière. Les scientifiques des XIX^e et XX^e siècles (J.J. Thomson, E. Rutherford...) ont mis en évidence, grâce à leurs expériences, d'autres particules, appelées particules élémentaires.
Ces particules, électron, proton et neutron sont les « briques » qui composent la matière. Elles sont présentes aussi bien au niveau microscopique (atome, molécules et ions) qu'au niveau macroscopique (astres, organismes vivants...)
• Quelles sont leurs caractéristiques (masse, charge) ?

1. L'électron

Cette particule a été mise en évidence par J.J. Thomson en 1897 qui en a déterminé la masse et la charge.
L'électron est une particule considérée comme ponctuelle.
Sa masse est égale à m_e = 9,1 × 10^-31 kg.
Il porte une charge négative q_e = –1,6 × 10^-19 C.

La charge électrique élémentaire ou charge élémentaire est la valeur absolue de la charge de l'électron. Elle est notée e.

e = 1,6 × 10^-19 C
q_e = –e

Toute charge électrique est un multiple de la charge élémentaire.

Exemple :
La charge d'une mole d'électrons est q = N_A × q_e = 6,02.10²³ × (–1,6.10^-19) = 96 320 C.

2. Le noyau de l'atome

Puisque la matière est électriquement neutre, J.J. Thomson, après avoir découvert l'électron, a tout naturellement supposé l'existence d'une particule de charge positive. Celle-ci n'est découverte qu'en 1911 par E. Rutherford, qui découvre en outre qu'elle se situe dans le noyau de l'atome.

Remarque :
L'atome a un diamètre de 10^-10 m et son noyau a un diamètre de 10^-14 m : le noyau est donc 10 000 fois plus petit que l'atome.

a. Composition

Le noyau atomique est composé de particules, les nucléons, qui sont l'ensemble des protons et des neutrons.

Le nombre de nucléon A et le nombre de protons Z (ou numéro atomique) caractérisent le noyau.

Le noyau d'un atome X est représenté par

.
Le nombre de neutrons que contient l'atome est noté N.On a donc :

N = A – Z.

Exemple :
le noyau de l'atome d'hydrogène est représenté par

.
• A = 1 ; le noyau comporte un électron.
• Z = 1 ; ce nucléon est un proton.
• N = 1 – 1 = 0 ; il n'y a pas de neutron dans le noyau de l'atome d'hydrogène.

b. Isotopes

Quand deux noyaux correspondent au même élément, il ont le même nombre de protons (Z) mais un nombre de neutrons différent, on dit que ce sont des isotopes.

Exemple :

(deutérium);

(tritium) sont des isotopes de l'hydrogène

3. Les autres particules élémentaires

a. Le proton

Le proton est un particule dont le diamètre est 10^-15 m.
Sa masse est de m_p = 1,67 × 10^-27 kg.
Il porte une charge positive ; cette charge correspond à la valeur absolue de la charge de l'électron, c'est-à-dire à la valeur de la charge élémentaire.

q_p = 1,6 × 10^-19 C
q_p = e = –q_e

Remarque :
L'atome est électriquement neutre car il contient autant de protons que d'électrons. Le numéro atomique (ou nombre de charge) Z indique donc le nombre d'électrons et de protons de l'atome.

b. Le neutron

La charge du neutron est nulle. Son diamètre (10^-15 m) est identique à celui du proton.
La masse du neutron est pratiquement égale à celle du proton :

m_n = m_p = 1,67 × 10^-27 kg

Remarque :

alors m_p = 1836 × m_e
La masse d'un proton m_p et d'un neutron m_n est environ 2 000 fois plus grande que celle de l'électron m_e. La masse d'un atome est donc essentiellement concentrée dans son noyau.

L'essentiel

Particule élémentaire	Électron	Proton	Neutron
Masse (en kg)
Charge (en C)
Diamètre (en m)	ponctuel

est la charge électrique élémentaire appelée plus simplement charge élémentaire. Toute charge électrique est un multiple de la charge élémentaire.

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