Existence réelle des couches électroniques ou non ?

[Macflag]

Bonjour à tous,

Je m'interrogeais sur l'existence réelle des couches électroniques (s, p, etc...). Est-ce que c'est juste un concept de physique qui permet d'expliquer les interactions entre atomes ou est-ce que c'est une réalité ? Si oui, a-t-elle été observée ou prouvée avec certitude ?

Je me pose ces questions parce que la physique quantique parle plus de nuage électronique autour du noyau atomique et j'ai dû mal à imaginer alors qu'il puisse y avoir des couches (ou du moins des niveaux d'énergie). De plus la physique quantique dit qu'un électron peut être à plusieurs endroits à la fois (enfin je crois) donc comment relier cela à l'idée de couches bien structurée ?

Je touche sans doute à la dualité onde corpuscule de l'électron mais ce sujet m'intrigue beaucoup.

Merci d'avance pour vos réponses!
-----

[HarleyApril]

Bonjour

Une façon de répondre à ta question est sur la taille des atomes.
La taille des atomes varie un peu quand on se déplace au sein d'une ligne du tableau, beaucoup quand on change de ligne.
Plus on est bas, plus l'atome est gros. C'est dû aux électrons.

Comment voir la taille des atomes ?
On peut appréhender ça en regardant les distances interatomiques.
Une autre façon de voir est avec les rayons X. Tu peux voir des images en cherchant sur google/image avec la phrase electron density.

Cordialement

[0577]

Bonjour,

Je m'interrogeais sur l'existence réelle des couches électroniques (s, p, etc...). Est-ce que c'est juste un concept de physique qui permet d'expliquer les interactions entre atomes ou est-ce que c'est une réalité ? Si oui, a-t-elle été observée ou prouvée avec certitude ?

Je ne comprends pas la question.

Je me pose ces questions parce que la physique quantique parle plus de nuage électronique autour du noyau atomique et j'ai dû mal à imaginer alors qu'il puisse y avoir des couches (ou du moins des niveaux d'énergie).

Le point clé de la physique quantique est qu'un système physique, comme un électron, peut être dans un état dans lequel certaines quantités mesurables, comme la position, la vitesse ou l'énergie, n'ont pas de valeurs bien définies: si l'on mesure une telle quantité alors que le système est dans un tel état, on ne peut que prédire des probabilités pour différents résultats possibles.

Il existe certains états pour lesquels l'énergie est bien définie. Dans le cas d'un électron lié à un atome, ces états forment un ensemble discret (on a des niveaux d'énergie). Pour ces états, la position n'est pas bien définie: si l'on mesure la position d'un électron se trouvant dans un tel état, on trouvera des résultats différents suivant les mesures. Néanmoins, la théorie prévoit la distribution de probabilité de ces mesures et la région la plus probable où trouver un électron est d'autant plus éloignée du noyau que l'énergie est élevée, d'où l'image des couches.

Les états pour lesquels l'énergie, par opposition à d'autres quantités mesurables comme la position, sont les plus importants car l'énergie contrôle la dynamique, c'est-à-dire l'évolution temporelle, du système physique. En particulier, un atome isolé, après un temps suffisamment long (pour d'éventuelles désexcitations), sera dans un état d'énergie bien définie minimale. Dans un tel état, la position des électrons n'est pas bien définie.

De plus la physique quantique dit qu'un électron peut être à plusieurs endroits à la fois (enfin je crois) donc comment relier cela à l'idée de couches bien structurée ?

La physique quantique ne dit pas qu'un électron peut être à plusieurs endroits à la fois. Elle dit qu'il ne fait pas sens de poser la question: où est l'électron si l'on s'attend à avoir une réponse unique et si l'électron est dans un état générique. Si l'on pose la question: où est l'électron, la réponse de la physique quantique est: si vous mesurez la position de l'électron, vous trouverez x avec une probabilité p, vous trouverez y avec un probabilité q ..., en particulier l'électron sera en x ou en y ou en..., si vous ne mesurez pas la position de l'électron, c'est que vous ne voulez pas connaître la réponse à la question.

[mach3]

Le terme "couche" provient des premiers modèles de l'atome, classiques et semi-classique, où les électrons étaient sur des orbites à des distances croissantes du noyau et que les propriétés chimiques s'expliquaient bien par un remplissage de ces orbites (2 pour la première, 8 pour la deuxième, etc...).
On aurait pu abandonner ce terme avec l'arrivée de la mécanique quantique (d'ailleurs on parle parfois de niveau n plutot que de couche n), mais les usages sont souvent plus forts en physique : on ne va pas changer le mot dans des dizaines de milliers de bouquins et publications... Il y a plein de mots ou d'expression comme cela en physique, qui ne sont en fait pas appropriées, comme "corps noir" par exemple.
En mécanique quantique, il y a différentes orbitales (fonction d'onde de l'électron autour du noyau qui sont solution de l'équation de Schrodinger, cela s'apparente à des ondes stationnaires), classées suivant des nombres quantiques plus ou moins abstraits (n, l, m...) et il se trouve que le nombre n coincide avec ce qu'on appelait couche dans les modèles précédents : les orbitales de n petit se remplissent généralement en premier et plus n est grand, plus il y a d'orbitales qui correspondent (1 seule pour n=1, 4 pour n=2, etc, sachant qu'il y a deux places par orbitale). De plus les orbitales sont d'autant plus étendue dans l'espace autour du noyau que n est grand. Elles se superposent les unes les autres par contre, ne sont pas toutes de forme sphériques, etc, mais le mot couche est resté, même si ce ne sont plus à proprement parler des couches qui s'empilent autour du noyau comme des coquilles sphériques (les anglais sont pires d'ailleurs, ils disent "electron shell", c'est à dire "coquille électronique").

m@ch3

[A voir en vidéo sur Futura]

[Macflag]

Merci beaucoup pour vos réponses. Mach3 ton explication est limpide! Est-ce qu'on peut dire que les orbitales sont des zones délimitées dans l'espace où les électrons ondulent ou cela n'a pas de sens ?

[mach3]

Ce ne sont pas des zones délimités, l'onde électronique s'étend sur tout l'espace. Son amplitude devient certes très faible dès qu'on s'éloigne de quelques angstroms du noyau, mais elle reste rigoureusement non nulle, même à des milliards de kilomètre du noyau. Il existe cependant des zones où l'intensité est nulle, ce sont les surfaces nodales, l'analogue des noeuds pour une onde stationnaire sur une corde, ce sont souvent des plans passant par le noyau, ou des sphères centrées sur le noyau.
Le carré de l'amplitude de l'onde est proportionnel à la probabilité de présence de l'électron et la représentation que l'on fait souvent des orbitales sont en fait les portions de l'espace où il y a 90% ou 95% de probabilité de trouver l'électron (et donc il y a 10 ou 5% de chances qu'il soit à l'extérieur de ces portions) si on cherche à déterminer sa position (tant qu'on ne cherche pas à déterminer sa position, il n'est pas localisé : c'est une onde stationnaire). Ces portions matérialisent les ventres de l'onde stationnaire.

m@ch3

[Sethy]

Il est peut être intéressant de quitter l'espace habituel pour s'intéresser à deux autres "espaces". Le premier, est celui de l'énergie.

Le système noyau-électron(s) peut prendre plusieurs niveaux d'énergie distincts. Hors ceux-ci ne sont pas quelconques. Lorsqu'un atome excité (par de la chaleur, de la lumière, ...) revient dans un niveau plus fondamental, il peut émettre un photon. Or, une même substance ne va émettre qu'à certaines longueurs d'onde bien particulières. Si l'on en croit l'hypothèse généralement admise, cela implique que le système noyau-électron possède des niveaux d'énergie très bien définis.

On l'oublie souvent, mais la théorie quantique ne traite pas seulement de "positions" mais aussi de "vitesses", ou plus exactement de "quantité de mouvement". Mais la également, il existe des fonctions d'onde (qui sont d'ailleurs les transformées de fourier des ondes de probabilités spatiales") et qui permettent de connaitre la probabilité qu'une particule ait une certaine quantité de mouvement (px, py et pz).