Atome et atome quantique

[miketyson42]

bonjour tout le monde

je n'ai pas encore vu de cours sur la mecanique quantique mais j'ai fais pas mal de petite recherche sur internet et je me pose une question toute simple mais que je n'arrive pas à resoudre:

-d'apres ce que j'ai lu on ne peut pas savoir précisement où ce trouve les electrons mais nous avons une probabilité pour certaines zones, mais alors si cela est vrai les histoires de couches electroniques (K,L,M....) sont toujours valables?? (c'est bizzare si on ne peut pas savoir où sont les electrons)

merci de votre aide (ou si vous avez un lien qui résume bien cela sa serai pas mal aussi moi je n'ai regardé que sur wilkipedia)

[Phys2]

Bonjour,

-d'apres ce que j'ai lu on ne peut pas savoir précisement où ce trouve les electrons mais nous avons une probabilité pour certaines zones, mais alors si cela est vrai les histoires de couches electroniques (K,L,M....) sont toujours valables??

Oui elles sont toujours valables, car si on a des incertitudes sur la position ou la quantité de mouvement de l'électron, on peut avoir une énergie précise pour cet électron. Cette énergie détermine alors la couche électronique sur laquelle se trouve l'électron en question.

[miketyson42]

se qui me fait bizzare c'est que l'energie est fonction du mouvement donc si on ne connait pas les trajectoires de tous les electrons d'un on ne peut pas connaitre leurs vitesses et donc pas leurs energies.

[physiquantique]

Envoyé par miketyson42

se qui me fait bizzare c'est que l'energie est fonction du mouvement donc si on ne connait pas les trajectoires de tous les electrons d'un on ne peut pas connaitre leurs vitesses et donc pas leurs energies.

en quantique , les couches sont déterminées par des niveau cinétique ou moment cinétique l l'

et des moments magnétique µ

(c'est Bohr qui a introduit ce modèle)

L = r*p avec p = mv ou parfois p=2M.V

r c'est le rayon

[miketyson42]

a ok merci

et ces couches ont donc les meme propriété que nos bonne vieilles couches electroniques (regle de l'octet....)

[Phys2]

et ces couches ont donc les meme propriété que nos bonne vieilles couches electroniques (regle de l'octet....)

Oui pour des nombres d'électrons pas trop important, car après cela devient plus complexe.

[Gwyddon]

Envoyé par miketyson42

a ok merci

et ces couches ont donc les meme propriété que nos bonne vieilles couches electroniques (regle de l'octet....)

Cest "bonnes vieilles couches" dont tu parles sont très précisément celles déterminées par la mécanique quantique

[physiquantique]

Envoyé par Gwyddon

Cest "bonnes vieilles couches" dont tu parles sont très précisément celles déterminées par la mécanique quantique

et ont été repris par la chimie , tout s'explique par la physique (tout reprends la physiqu et les maths) vive la physique quantique lol

[physiquantique]

Pour les trajectoires milketson , on peut se baser sur la fonction d'orbite :

Y(l,angles) = sin (colatitude) ^l e^(i *azimut *l)


soit :

[WeinbergJr]

Bonjour tlm !

Envoyé par miketyson42

bonjour tout le monde

je n'ai pas encore vu de cours sur la mecanique quantique mais j'ai fais pas mal de petite recherche sur internet et je me pose une question toute simple mais que je n'arrive pas à resoudre:

-d'apres ce que j'ai lu on ne peut pas savoir précisement où ce trouve les electrons mais nous avons une probabilité pour certaines zones, mais alors si cela est vrai les histoires de couches electroniques (K,L,M....) sont toujours valables?? (c'est bizzare si on ne peut pas savoir où sont les electrons)

merci de votre aide (ou si vous avez un lien qui résume bien cela sa serai pas mal aussi moi je n'ai regardé que sur wilkipedia)

Pour reprendre les choses sous un autre angle (et évidemment rallier l'opinion globale des réponses de ce post) : une couche électronique, c'est un moyen commode de "nommer" les électrons. Les calculs se servent de ces noms pour déterminer les niveaux atomiques, autrement dit "l'énergie de l'atome".

Admettons que les électrons ne se "voient pas" (se voir ici signifie qu'il y a une interaction : on sait que deux charges électriques de même signe se repoussent, c'est le cas des électrons). Eh bien, chacun de ces électrons se trouvera associé à un nom de "couche". Pour connaître l'énergie de l'atome, il suffira de sommer l'énergie associée à chaque couche.

En réalité, les électrons se repoussent. La probabilité de trouver un électron là où on l'attendait sil n'y avait pas de répulsion s'en retrouve modifiée. Doit-on abandonner alors la notion de couche ???

La réponse est : non, à condition de réinterpréter ce qu'on entend par : un électron est dans une couche. En fait, dire qu'un électron est dans couche signifie qu'on est juste capable de nommer l'état de cet électron.

Peut-on relier l'état (donc le nom de la couche) avec son énergie ??? Oui, c'est possible. Imaginez que les répulsions des électrons entre eux soient un effet faible. Alors les probabilités de présence associées à chaque électron vont être modifiées faiblement. Ceci est à prendre au sens intuitif : le "calcul" tranchera en faveur ou non de cette hypothèse. Or, les probabilités sont associées à la "forme" des couches ; la forme de toutes les couches détermine l'énergie de l'atome. Il faut donc trouver comment calculer les probabilités de présence d'un électron quand il est "perturbé" par les autres en raison de la répulsion électrostatique, et c'est gagné pour le calcul de l'énergie de l'atome (moyennant pas mal de maths, loin s'en faut, mais ça marche !!!)

Mais s'il y a trop d'électrons (donc un gros atome) les perturbations sus-mentionnées ne sont plus négligeables... La notion alors de nommer l'état d'un électron comme appartenant à une couche perd de son sens, puisqu'elle ne permettra plus de calculer approximativement la "forme" de la couche. Il faut recourir à d'autres techniques de calcul pour connaître l'énergie des gros atomes... La notion de couches pour les gros atomes n'a donc plus vraiment de sens.

Envoyé par Phys2

Bonjour,



Oui elles sont toujours valables, car si on a des incertitudes sur la position ou la quantité de mouvement de l'électron, on peut avoir une énergie précise pour cet électron. Cette énergie détermine alors la couche électronique sur laquelle se trouve l'électron en question.

Attention toutefois : dans le cas des atomes légers, nommer une couche a un sens. Dans ce cas, il est vrai que donner le nom de la couche permet en principe de trouver l'énergie de la couche. Mais votre formulation est un tout petit peu ambigû si on lit trop vite : je complète votre remarque en insistant sur le fait que ça n'est pas vraiment la couche qui détermine l'énergie, mais plutôt la forme de la couche (un peu subtil, mais remarque pertinente si miketyson42 constate que l'énergie d'un atome d'hélium est en réalité plus grande que ce que l'on calcule simplement avec la notion de couche).

Exemple : atome d'hélium : la formule pour la contribution à l'énergie de l'atome dûe à la présence d'un électron dans une couche électronique est donnée par :

où eV est l'unité d'énergie (électron-volt), Z est le nombre de protons (égal par ailleurs au nombre d'électron dans le cas d'un atome électriquement neutre), et n est un nombre entier strictement positif, valant n=1 pour un électron dans une couche K, n=2 pour un électron dans une couche L etc. (quand n croît, on change de couche). L'énergie est négative, car un atome est un système lié (un peu comme le fait que l'énergie mécanique totale d'une planète orbitant autour du soleil est également négative).
Pour l'atome d'hélium : deux électrons, tous les deux dans la couche K. Chaque électron contribue donc à l'énergie totale par E(1e)=-13.6*^2²/1²=-54.4 eV ; Pour l'ensemble, on a une énergie double : -108.8 eV. Pourtant, expérimentalement, l'énergie est plus élevée, et vaut -79 eV ; on ne peut donc expliquer ce désaccord en disant que ce n'est pas le nom d'une couche qui détermine l'énergie. Un calcul plus précis montre que c'est la forme de couche qui détermine l'énergie.

Pour terminer, insistons encore sur le fait que les couches (leur forme) n'ont de sens (par rapport au calcul de l'énergie de l'atome) que pour de petits atomes. Conséquemment, le nom des couches n'a plus de sens non plus !

Cordialement,

[physiquantique]

Envoyé par WeinbergJr

Bonjour tlm !



Pour reprendre les choses sous un autre angle (et évidemment rallier l'opinion globale des réponses de ce post) : une couche électronique, c'est un moyen commode de "nommer" les électrons. Les calculs se servent de ces noms pour déterminer les niveaux atomiques, autrement dit "l'énergie de l'atome".

Admettons que les électrons ne se "voient pas" (se voir ici signifie qu'il y a une interaction : on sait que deux charges électriques de même signe se repoussent, c'est le cas des électrons). Eh bien, chacun de ces électrons se trouvera associé à un nom de "couche". Pour connaître l'énergie de l'atome, il suffira de sommer l'énergie associée à chaque couche.

En réalité, les électrons se repoussent. La probabilité de trouver un électron là où on l'attendait sil n'y avait pas de répulsion s'en retrouve modifiée. Doit-on abandonner alors la notion de couche ???

La réponse est : non, à condition de réinterpréter ce qu'on entend par : un électron est dans une couche. En fait, dire qu'un électron est dans couche signifie qu'on est juste capable de nommer l'état de cet électron.

Peut-on relier l'état (donc le nom de la couche) avec son énergie ??? Oui, c'est possible. Imaginez que les répulsions des électrons entre eux soient un effet faible. Alors les probabilités de présence associées à chaque électron vont être modifiées faiblement. Ceci est à prendre au sens intuitif : le "calcul" tranchera en faveur ou non de cette hypothèse. Or, les probabilités sont associées à la "forme" des couches ; la forme de toutes les couches détermine l'énergie de l'atome. Il faut donc trouver comment calculer les probabilités de présence d'un électron quand il est "perturbé" par les autres en raison de la répulsion électrostatique, et c'est gagné pour le calcul de l'énergie de l'atome (moyennant pas mal de maths, loin s'en faut, mais ça marche !!!)

Mais s'il y a trop d'électrons (donc un gros atome) les perturbations sus-mentionnées ne sont plus négligeables... La notion alors de nommer l'état d'un électron comme appartenant à une couche perd de son sens, puisqu'elle ne permettra plus de calculer approximativement la "forme" de la couche. Il faut recourir à d'autres techniques de calcul pour connaître l'énergie des gros atomes... La notion de couches pour les gros atomes n'a donc plus vraiment de sens.



Attention toutefois : dans le cas des atomes légers, nommer une couche a un sens. Dans ce cas, il est vrai que donner le nom de la couche permet en principe de trouver l'énergie de la couche. Mais votre formulation est un tout petit peu ambigû si on lit trop vite : je complète votre remarque en insistant sur le fait que ça n'est pas vraiment la couche qui détermine l'énergie, mais plutôt la forme de la couche (un peu subtil, mais remarque pertinente si miketyson42 constate que l'énergie d'un atome d'hélium est en réalité plus grande que ce que l'on calcule simplement avec la notion de couche).

Exemple : atome d'hélium : la formule pour la contribution à l'énergie de l'atome dûe à la présence d'un électron dans une couche électronique est donnée par :

où eV est l'unité d'énergie (électron-volt), Z est le nombre de protons (égal par ailleurs au nombre d'électron dans le cas d'un atome électriquement neutre), et n est un nombre entier strictement positif, valant n=1 pour un électron dans une couche K, n=2 pour un électron dans une couche L etc. (quand n croît, on change de couche). L'énergie est négative, car un atome est un système lié (un peu comme le fait que l'énergie mécanique totale d'une planète orbitant autour du soleil est également négative).
Pour l'atome d'hélium : deux électrons, tous les deux dans la couche K. Chaque électron contribue donc à l'énergie totale par E(1e)=-13.6*^2²/1²=-54.4 eV ; Pour l'ensemble, on a une énergie double : -108.8 eV. Pourtant, expérimentalement, l'énergie est plus élevée, et vaut -79 eV ; on ne peut donc expliquer ce désaccord en disant que ce n'est pas le nom d'une couche qui détermine l'énergie. Un calcul plus précis montre que c'est la forme de couche qui détermine l'énergie.

Pour terminer, insistons encore sur le fait que les couches (leur forme) n'ont de sens (par rapport au calcul de l'énergie de l'atome) que pour de petits atomes. Conséquemment, le nom des couches n'a plus de sens non plus !

Cordialement,

auh ... c bon , je crois qu'on a de la lecture : arrrrggghhh!!!!

[physiquantique]

en quantique , je ne crois pas qu'on étudie des atomes monstres lol

mais , merci de cette explication-testament

[WeinbergJr]

Envoyé par physiquantique

en quantique , je ne crois pas qu'on étudie des atomes monstres lol

mais , merci de cette explication-testament

sisi y'a des atomes monstres : hihi la discipline qui s'en charge s'appelle la physique nucléaire important tout ça ! C'est pour ça qu'il faut savoir recourir à d'autres techniques

Cordialement,

[WeinbergJr]

Envoyé par physiquantique

Pour les trajectoires milketson , on peut se baser sur la fonction d'orbite :

Y(l,angles) = sin (colatitude) ^l e^(i *azimut *l)


soit :

Ne parlons pas de trajectoire plutôt de proba de présence... Et puis, il manque des tonnes de choses dans votre formule, surtout la partie radiale, je ne pense pas que miketyson cherchait quelque chose d'aussi complexe...

Pour la parite radiale : trèèèès importante, c'est elle qui condionnera les interactions entre orbitales (dans la méthode de Hartree-Fock : qui donnera les parties de recouvrement et d'échange entre les orbitales). De plus, le compromis partie radiale-partie angulaire permet d'expliquer la valeur des angles dans les molécules (et encore ! Je parle d'Hartree-Fock, je vous fais la morale... En fait, y'a aussi le spin, mais je ne sais pas si j'ose en parler )

Pour miketyson42 : la traduction de ce charabia : grosso-modo vous pouvez repérer la probabilité de présence d'un électron par :
- des coordonnées cartésiennes par exemple ;
- ou des coordonnées "sphériques" (c'est plus malin si vous voulez expliquer par exemple la taille des atomes ou l'angle intervenant dans les molécules) : en gros les coordonnées sphériques, vous vous donnez un rayon (la distance du noyau à l'endroit où vous souhaitez déterminer la probabilité de présence d'e votre électron) et deux angles (pouruqoi deux angles ? Un rayon : vous déterminer une sphère. Analogie avec la surface de la Terre, où pour repérer un point il vous faudra une latitude et une longitude, ie deux angles ).

Sans rentrer dans les détails :

• La coordonnée-rayon : donne des infos sur la taille d'un atome.
• les angles : donnent des directions dans l'espace. Avec "un peu" de mathématiques (sans oublier les lois physiques !!!) on arrive à avoir des infos sur des grandeurs reposant sur des directions (angle dans une molécule == deux directions, l'une de ces directions est une droite reliant un noyau atomique "A" à un noyau atomique "B", l'autre direction est une autre droite reliant le noyau atoomique "B" à un troisième noyau "C". La différence entre ces deux directions --> l'angle dans la molécule).
• Le point précédent n'est pas tout à fait exact, en réalité, y'a un "compromis" entre la coordonnée-rayon et les coordonnées-angulaires du fait qu'une orbitale, ça prend de la place (ça fait partie de ce qu'on appelle dans le jargon du pb de l'encombrement stérique des molécules ; autre application : on peut expliquer grâce à ce "compromis" la méthode VSEPR, moyennant quelques autres quantités physiques dont je préfère, à ce niveau du discours, taire l'existence).

Conséquence (énôôôôrme et bôôô, car unification entre la physique et la chimie) : la chimie et la physico-chime, tout peut se calculer à l'aide de la notion de "formes d'orbitales" ! Mais c'est loin d'être simple !

Cordialement,

[physiquantique]

Envoyé par WeinbergJr

Ne parlons pas de trajectoire plutôt de proba de présence... Et puis, il manque des tonnes de choses dans votre formule, surtout la partie radiale, je ne pense pas que miketyson cherchait quelque chose d'aussi complexe...

Pour la parite radiale : trèèèès importante, c'est elle qui condionnera les interactions entre orbitales (dans la méthode de Hartree-Fock : qui donnera les parties de recouvrement et d'échange entre les orbitales). De plus, le compromis partie radiale-partie angulaire permet d'expliquer la valeur des angles dans les molécules (et encore ! Je parle d'Hartree-Fock, je vous fais la morale... En fait, y'a aussi le spin, mais je ne sais pas si j'ose en parler )

Pour miketyson42 : la traduction de ce charabia : grosso-modo vous pouvez repérer la probabilité de présence d'un électron par :
- des coordonnées cartésiennes par exemple ;
- ou des coordonnées "sphériques" (c'est plus malin si vous voulez expliquer par exemple la taille des atomes ou l'angle intervenant dans les molécules) : en gros les coordonnées sphériques, vous vous donnez un rayon (la distance du noyau à l'endroit où vous souhaitez déterminer la probabilité de présence d'e votre électron) et deux angles (pouruqoi deux angles ? Un rayon : vous déterminer une sphère. Analogie avec la surface de la Terre, où pour repérer un point il vous faudra une latitude et une longitude, ie deux angles ).

Sans rentrer dans les détails :

• La coordonnée-rayon : donne des infos sur la taille d'un atome.
• les angles : donnent des directions dans l'espace. Avec "un peu" de mathématiques (sans oublier les lois physiques !!!) on arrive à avoir des infos sur des grandeurs reposant sur des directions (angle dans une molécule == deux directions, l'une de ces directions est une droite reliant un noyau atomique "A" à un noyau atomique "B", l'autre direction est une autre droite reliant le noyau atoomique "B" à un troisième noyau "C". La différence entre ces deux directions --> l'angle dans la molécule).
• Le point précédent n'est pas tout à fait exact, en réalité, y'a un "compromis" entre la coordonnée-rayon et les coordonnées-angulaires du fait qu'une orbitale, ça prend de la place (ça fait partie de ce qu'on appelle dans le jargon du pb de l'encombrement stérique des molécules ; autre application : on peut expliquer grâce à ce "compromis" la méthode VSEPR, moyennant quelques autres quantités physiques dont je préfère, à ce niveau du discours, taire l'existence).

Conséquence (énôôôôrme et bôôô, car unification entre la physique et la chimie) : la chimie et la physico-chime, tout peut se calculer à l'aide de la notion de "formes d'orbitales" ! Mais c'est loin d'être simple !

Cordialement,

la partie radiale c'est pour la probbilit éc'est pas la même chose , je sais :

[physiquantique]

et puis , c'est de la nucléaire ou de la chimie les gros atomes , PAS LA QUANTIQUE

[physiquantique]

pour la partie radiale , en quantique , la fonction sphèrique s'écrit comme ceci , c'est sur ..., ah oui , il manque la contante C à determiner aec des contraintes

[WeinbergJr]

Envoyé par physiquantique

et puis , c'est de la nucléaire ou de la chimie les gros atomes , PAS LA QUANTIQUE

mon dieu, pas de la quantique ??? Ca n'est que ça !!! Sans quantique, pas de force forte, par exemple, et vos noyaux exploseraient par répulsion coulombienne entre les protons !!!

La chimie ??? Que de la quantique !!! On appelle d'ailleurs ça de la chimie quantique !!!

Les gros atomes ? itou !!!

Et puis d'ailleurs : l'architecture atomique (ou moléculaire du reste) ne doit son existence qu'à la quantique ! Pas de quantique ? Monde classique ! Et alors... Monde classique ???? Effondrement des atomes sur eux-mêmes (les électrons n'auraient pas d'orbitales, car ils rayonnerait de l'énergie électromagnétique, perdraient par là-même occasion de l'énergie cinétique, spiraleraient vers le noyau, et tout ceci en à peine 10 femtosecondes en ce qui concerne l'atome d'hydrogène, histoire d'avoir un exemple numérique !)

Envoyé par physiquantique

pour la partie radiale , en quantique , la fonction sphèrique s'écrit comme ceci , c'est sur ..., ah oui , il manque la contante C à determiner aec des contraintes

Pas aussi simple... Il peut exister en réalité des corrélations subtiles entre la partie radiale et la partie sphérique de chaque orbitale si l'atome est "gros", s'il possède un moment angulaire J total non nul (couplages complexes entre spins des électrons et/ou leur moment cinétique qui ne sont même pas des vecteurs au sens "classique" du terme... sans parler des couplages entre le spin du noyau et les spins des électrons, ainsi que des effets de spin-orbites ie un élctron tourbillonant dans un champ électrique == un champ magnétique perçue par l'électron dans son référentiel propre, avec un couplage de ce champ magnétique "induit" avec le spin... Faudrait encore inclure des effets de relativité, comme l'augmentation de l'inertie des électrons dans les gros atomes, car ils voyagent à une vitesse de l'ordre de c, ainsi que de pb de précession dite de "Thomas" (un gyroscope accéléré en relativité précesse... Notre gyroscope ici est le spin d'un électron dans l'atome)... Encore plus subtil : le "Lamb shift" dû au fait qu'un électron peut s'"habiller" d'un espèce de nuage de photons virtuels qu'il crée en empruntant de l'énergie au vide... Tous les effets dont je vous parle ne sont en aucun cas des effets purement théoriques ; il ne s'agit que d'effets constatés en laboratoire !!!). C'est d'ailleurs pourquoi je vous ai parlé non pas d'orbitales, mais de "formes d'orbitales"... Votre écriture ne vaut que si l'on fait l'hypothèse d'un atome sphérique (auquel on n'est plus dans la réalité, on fait une approximation. Il en existe un certain nombre : "approximation de Slater", modèle de Thomas-Fermi... Ces approximations permettent de disposer d'"orbitales approchées", sphériques, que l'on améliore ensuite en les réinjectant dans des équations intégro-différentielles "self-consistantes", les résultats étant d'autant meilleurs que les orbitales approchées choisies au départ sont proches de la forme des "vraies orbitales perturbées par la présence des autres électrons").

Mon dernier argument convaincant : si les orbitales étaient si simples, y'auraient pas beaucoup de couleurs dans nos vies... Les formes d'orbitales donnant les énergies des atomes, et les sauts d'énergie des atomes déterminant les couleurs, on serait cantonné à ne distinguer par exemple que les couleurs du spectre de l'atome d'hydrogène... la vie serait vraiment moche à vivre...

Cordialement,