Élément chimique

On appelle élément chimique l’ensemble des entités, atomes ou ions, qui présentent le même nombre Z de protons dans leur noyau. Sur les 118 éléments chimiques connus à ce jour, 94 existent à l’état naturel. Des entités différentes d’un même élément chimique peuvent avoir un nombre inégal de neutrons. Ils auront les mêmes propriétés chimiques mais des propriétés physiques qui peuvent être différentes. On les appelle alors des isotopes.

Atome

Un atome est une entité électriquement neutre composée d’un noyau atomique, lui-même constitué de protons et de neutrons, et des électrons qui gravitent autour du noyau. L’atome est considéré comme le constituant fondamental de la matière par les chimistes, bien qu’il soit lui -même divisible en particules plus petites. L’atome d’hydrogène, le plus petit des atomes, est une exception. Son noyau ne compte en effet qu’un proton et aucun neutron. Les propriétés physiques et chimiques des atomes dépendent du nombre de protons, aussi appelé « configuration électronique ». Si deux atomes présentent le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent, ce sont des isotopes. Leurs propriétés chimiques seront les mêmes, leurs propriétés physiques (la masse notamment) pourront être différentes.

Taille d’un atome: de l’ordre de 10-10 m

Masse d’un atome: de l’ordre de 10-26 kg

Proton et neutron

Le proton et le neutron sont les particules constitutives du noyau atomique, également appelées nucléons. Le proton, chargé positivement, est lui-même constitué de trois particules, les quarks, liées par une force nucléaire forte. Chaque proton est ainsi constitué de deux quarks up et d’un quark down. Le neutron, lui, est une particule neutre constituée également de trois quarks, deux quarks u et un quark d.

Électron

L’électron est une particule chargée négativement qui gravite autour du noyau atomique. C’est une particule élémentaire, tout comme les quarks constitutifs des protons et des électrons. Dans le modèle atomique décrit par Niels Bohr en 1913, les électrons se trouvent sur des couches électroniques, en périphérie du noyau. Le nombre de couches augmente avec le nombre d’électrons et, donc, avec le numéro atomique Z. Les couches électroniques sont désignées par des lettres. La première, la couche K, est la plus proche du noyau et peut contenir 2 électrons. La suivante, la couche L, contiendra au maximum 8 électrons. Ce nombre maximum d’électrons possibles sur une même couche électronique est défini par le principe de Pauli et calculé selon la formule : 2n2, n étant le nombre quantique de la couche (n étant égal à 1, 2, 3, 4 et 5 pour, respectivement, les couches K, L, M, N et O). Une couche électronique remplie est dite « saturée ».

Ion

Un ion est une espèce chimique, atome ou molécule, ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Un ion est dit « monoatomique » lorsqu’il n’est constitué que d’un type d’atomes (exemple le sodium Na+) et « polyatomique » lorsqu’il est constitué d’atomes différents (exemple l’ammonium NH 4 +). On parle de cation lorsque l’ion a perdu un ou des électron(s) et est donc globalement positif (comme l’ion magnésium Mg2+). On parle d’anion lorsque l’ion a gagné un ou plusieurs électron(s) et est donc globalement négatif (comme l’ion phosphate PO 4 3-).

Unité de masse atomique unifiée

Cette unité, notée « u », exprime la masse des atomes et des molécules. Sa valeur est définie par le douzième de la masse de l’atome de carbone 12 (12C), au repos, non lié et dans son état fondamental. 1 u vaut approximativement 1,660 538 921 × 10−27 kg.

Nucléosynthèse

La nucléosynthèse désigne la synthèse de noyaux atomiques par une réaction nucléaire. Cette réaction peut être de plusieurs types: capture de neutrons, le noyau atomique capture un neutron, sans se désintégrer, formant ainsi un noyau plus lourd; capture de protons; fusion nucléaire, où deux noyaux atomiques légers s’unissent pour former un noyau plus lourd; fission nucléaire, où un noyau atomique lourd se scinde en deux noyaux plus légers; spallation, où le noyau atomique ciblé (par un neutron ou un proton) se décompose en formant des jets de particules légères et un noyau plus léger que le noyau cible.

On distingue plusieurs nucléosynthèses: la nucléosynthèse primordiale, qui s’est passée immédiatement après le Big Bang et qui a formé les éléments légers comme l’hélium ou le deutérium; la nucléosynthèse stellaire, responsable de la synthèse de l’hélium, puis, à la fin de la vie de l’étoile, de certains éléments compris entre le lithium et le fer; la nucléosynthèse explosive, dans les étoiles massives, produisant des éléments plus lourds que le fer; et, enfin, la spallation cosmique, qui produit des éléments comme le lithium, le béryllium et le bore, par bombardement de la matière par des rayons cosmiques.