L’atome

Noyau et électrons

Révision éditoriale 2026

L’atome est formé d’un noyau entouré par un cortège d’électrons. Le noyau est lui-même constitué de nucléons de deux sortes : les neutrons, électriquement neutres, et les protons, qui portent chacun une charge électrique positive +e (où e est la plus petite charge électrique pouvant se trouver isolée, appelée pour cela « charge élémentaire »).

Un électron est une particule élémentaire portant la charge électrique négative -e. Ainsi, un atome électriquement neutre contient autant d’électrons que de protons. Le nombre de protons, noté Z, détermine le numéro atomique qui définit à quel élément chimique correspond l’atome. Les propriétés chimiques de l’atome dépendent de la façon dont son cortège électronique interagit avec celui des autres atomes.

La masse d’un électron est environ 2000 fois plus petite que celle d’un nucléon. La masse de l’atome est donc pratiquement égale à celle du noyau, la contribution de la masse des électrons étant très faible. On appelle ainsi « nombre de masse », noté A, le nombre de nucléons contenus dans le noyau. La masse d’un atome est proportionnelle à son nombre de masse. Pour un même numéro atomique Z, on peut avoir différents nombres de masse A (en variant le nombre de neutrons) : les atomes correspondants sont appelés isotopes.

Par exemple, un atome dont le noyau contient 6 protons est un atome de carbone, et s’il s’agit d’un atome neutre (et non d’un ion), son cortège électronique contient 6 électrons. La plupart des atomes de carbone existants ont aussi 6 neutrons : on les appelle carbone-12, et ils ont un nombre de masse A=12. Dans le cas où le noyau de carbone contient 8 neutrons, on a affaire à un autre isotope : le carbone-14 (radioactif et utilisé pour la datation). L’atome le plus simple est constitué d’un proton et d’un électron : c’est un atome d’hydrogène. À l’autre extrémité, parmi les plus lourds rencontrés dans l’environnement terrestre, on trouve l’uranium, avec 92 protons. En laboratoire, on a pu produire des noyaux comportant plus de 100 protons.

Une masse concentrée dans le noyau et beaucoup de vide …

L’image familière de l’atome avec ses électrons tournant comme des planètes autour du noyau est plaisante mais trompeuse, car l’atome est en réalité plus compliqué : ses constituants, noyaux et électrons, obéissent en effet aux lois de la mécanique quantique. Ainsi, le premier modèle moderne de l’atome que proposa le physicien danois Niels Bohr en 1913 introduit les lois quantiques dans la description de l’atome, en décrivant les orbites spécifiques occupées par les électrons. Le noyau lui-même possède une structure régie par les règles quantiques.

Toutefois, l’image simplifiée du noyau comme système planétaire reflète correctement l’idée que l’essentiel de la masse de l’atome est concentrée dans un espace très réduit au centre du système. En effet, le noyau contient pratiquement toute la masse de l’atome, alors que sa taille est 100 000 fois plus petite que celle de l’atome. Sa densité atteint donc des valeurs faramineuses : environ 230 000 tonnes par millimètre cube !