Exercices: Particules subatomiques et isotopes

Dans le jeu de société « Construis un atome », il y a trois types de jetons : protons, neutrons et électrons. Indiquer la charge électrique de chacune des trois particules : positive, négative ou nulle.

Si l'atome était un stade de football, le noyau serait une bille au centre du terrain. Quelles particules y aurait-il dans cette « bille » ? Et quelles particules se déplaceraient dans les gradins, autour du noyau ?

Compléter la phrase avec les mots manquants : « Le proton a une charge $\dots$, l'électron a une charge $\dots$ et le neutron n'a pas de $\dots$ ».

Le numéro atomique $Z$ est comme la carte d'identité d'un élément. Expliquer ce que compte le nombre $Z$ et indiquer sa valeur pour un atome qui possède $6$ protons.

Quand vous respirez, des atomes d'oxygène arrivent dans vos poumons ; ils possèdent $8$ protons. Si un atome d'oxygène est neutre, combien d'électrons possède-t-il ? Expliquer pourquoi.

Le nombre de masse $A$ compte les particules « lourdes » de l'atome. Un atome de carbone possède $6$ protons et $6$ neutrons, comme le montre la figure.

Quelle est la valeur de son nombre de masse $A$ ? Quelles particules de l'atome n'entrent pas dans ce décompte ?

Le carbone 12 et le carbone 14 sont comme deux frères : ils sont du même élément, mais n'ont pas la même « masse ». Expliquer ce que les deux atomes ont en commun et en quoi ils diffèrent. Comment s'appelle la relation entre eux ?

Le sel de cuisine contient des atomes de sodium, avec $11$ protons et $12$ neutrons dans leur noyau, comme le montre la figure.

Calculer le nombre de masse $A$ du sodium.

Les feux de Bengale brillent d'une lumière blanche intense parce qu'ils brûlent du magnésium. Un atome neutre de magnésium a $Z = 12$ et $A = 24$. Calculer combien de protons, de neutrons et d'électrons il possède.

Le chlore utilisé pour désinfecter les piscines a $Z = 17$ et $A = 35$. Calculer combien de neutrons possède son noyau et combien d'électrons possède un atome neutre de chlore.

Le papier d'aluminium que nous utilisons en cuisine est formé d'atomes avec $Z = 13$ et $A = 27$. Calculer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons d'un atome neutre d'aluminium.

Le fer des lentilles aide à transporter l'oxygène dans le sang. Un atome neutre de fer a $Z = 26$ et $A = 56$. Combien de neutrons possède-t-il dans le noyau ? Et combien d'électrons autour de celui-ci ?

Un atome neutre de calcium, le minéral des os, possède $20$ électrons et un nombre de masse $A = 40$. Calculer son numéro atomique $Z$ et le nombre de neutrons de son noyau.

L'hydrogène possède trois isotopes connus : le protium ($A = 1$), le deutérium ($A = 2$), présent dans ce qu'on appelle l'« eau lourde », et le tritium ($A = 3$). Tous ont $Z = 1$, comme le montre la figure.

Calculer combien de neutrons possède chaque isotope et expliquer pourquoi les trois sont le même élément.

Le carbone 12 a $A = 12$ et le carbone 14 a $A = 14$ ; tous deux ont $Z = 6$, comme le montre la figure.

1. a) Calculer le nombre de neutrons de chaque isotope.
2. b) Expliquer ce que les deux atomes ont en commun et ce qui fait qu'ils sont le même élément.

L'odeur des œufs pourris est due à un gaz qui contient du soufre. Un atome neutre de soufre possède $16$ électrons et $16$ neutrons. Calculer son numéro atomique $Z$ et son nombre de masse $A$.

Les scientifiques étudient le climat du passé en analysant la glace des glaciers, où apparaissent l'oxygène 16 ($Z = 8$, $A = 16$) et l'oxygène 18 ($Z = 8$, $A = 18$).

1. a) Compléter le nombre de protons, de neutrons et d'électrons de chaque isotope, en supposant des atomes neutres.
2. b) Expliquer pourquoi les deux sont le même élément bien qu'ils aient des masses différentes.

Les batteries des téléphones portables utilisent du lithium. Son symbole avec les nombres de l'atome s'écrit ainsi : ${}^{7}_{3}\text{Li}$. Le nombre du haut est $A$ et celui du bas est $Z$.

1. a) Combien de protons, de neutrons et d'électrons possède un atome neutre de lithium ?
2. b) Le béryllium a $4$ protons et $5$ neutrons : écrire son symbole avec le même format.

Le potassium est un minéral abondant dans les bananes. Un atome neutre de potassium, avec $Z = 19$, perd un de ses électrons, comme le montre la figure.

1. a) Combien de protons et combien d'électrons reste-t-il à l'atome ?
2. b) Est-ce toujours du potassium ? Justifier en pensant à ce qui définit un élément.
3. c) Quelle est maintenant la charge globale de l'atome ? Expliquer le résultat en comparant ses charges positives et négatives.

Des archéologues trouvent une défense de mammouth et veulent connaître son âge. Pour le calculer, ils utilisent le carbone 14 qui reste dans les restes.

1. a) Le carbone 14 est un isotope du carbone : expliquer ce que cela signifie, en parlant de protons et de neutrons.
2. b) Tous les êtres vivants contiennent du carbone et, à leur mort, leur carbone 14 diminue peu à peu au fil des ans. Expliquer pourquoi cela permet d'estimer depuis combien de temps l'animal est mort.

Un atome neutre a un nombre de masse $A = 31$ et $16$ neutrons dans le noyau.

1. a) Calculer son numéro atomique $Z$ et son nombre d'électrons.
2. b) À l'aide de cette liste, trouver de quel élément il s'agit : oxygène ($Z = 8$), sodium ($Z = 11$), silicium ($Z = 14$), phosphore ($Z = 15$) ou chlore ($Z = 17$).
3. c) Les têtes des allumettes contiennent cet élément. Expliquer pourquoi c'est le nombre $Z$, et non le nombre de neutrons, qui détermine l'élément auquel appartient un atome.

Un proton a presque la même masse qu'un neutron, et chacun d'eux a une masse environ $2000$ fois supérieure à celle d'un électron.

1. a) Un atome de carbone 12 possède $6$ protons, $6$ neutrons et $6$ électrons : expliquer pourquoi pratiquement toute sa masse est concentrée dans le noyau.
2. b) Estimer combien de fois le noyau de cet atome est plus lourd que tous ses électrons réunis.

Trois atomes ont les particules suivantes : l'atome X a $6$ protons et $6$ neutrons ; l'atome Y a $6$ protons et $8$ neutrons ; l'atome Z a $7$ protons et $7$ neutrons.

1. a) Lesquels sont le même élément ? Pourquoi ?
2. b) Quelle paire forme un cas d'isotopes ?
3. c) Calculer le nombre de masse $A$ de chacun des trois atomes.

Un jeu de magazine propose ce défi : construire, avec des pièces séparées de protons, de neutrons et d'électrons, un atome neutre de béryllium, qui a $Z = 4$ et $A = 9$, comme le montre la figure.

1. a) De combien de pièces de chaque type a-t-on besoin ?
2. b) Si l'on ajoute par erreur un électron de trop, l'atome serait-il toujours neutre ? Quelle serait sa charge globale ? Justifier.
3. c) Et si l'on retirait un neutron, l'élément changerait-il ? Quelque chose changerait-il dans l'atome ? Justifier les réponses.