Orbitales, sous-couches, cases quantiques... comment s'y retrouver ?

[invite0cc47727]

Bonjour,

Je m'intéresse au programme de Physique/Chimie que j'aurais à traiter l'an prochain (première année de médecine).
Il faudra traiter de la configuration électronique, du principe de Pauli, Klechkowski, etc. auxquels je me suis déjà intéressé.

J'ai plus ou moins assimilé un cours sur les nombres quantiques.
n définit le nombre de couches

l définit la forme de l'orbitale et le nombre de sous-couches ? C'est là que ça coince, je ne comprends pas exactement ce que définit l, ni la différence entre orbitale et sous couche.

m définit l'orientation des orbitales. (sphérique, plan nodal...) Mais est ce que chaque orientation vaut pour une orbitale?
exemple avec une orbitale (sous couche ??) de type p : il y a trois orientations (si l=1), et donc, d'après le cours que j'ai (pas génial je vous l'accorde), il y a 3 orbitales. Est-ce vrai ?

Ensuite, le principe d'exclusion de Pauli.
J'ai bien compris que chaque orbitale pouvait contenir une ou plusieurs cases quantiques.
Et le principe de Pauli, tel qu'énoncé sur Wikipedia dit qu'il ne peut y avoir plus de électrons (de spin opposé) dans une meme case quantique.
Et dans le cours que j'ai, il est dit que chaque ORBITALE peut contenir au maximum deux électrons...
Et pourtant l'orbitale p peut en contenir 6, d peut en contenir 10, etc...

Pourriez-vous m'éclaircir ces sujets ?
Quelle est la différence entre une sous-couche et une orbitale ?
Orbitales et cases quantiques peuvent elles etre confondues ?
2 électrons au max dans une orbitale ou dans une case quantique ?
le nombre d'orbitales pour chaque sous-couche s,p,d,f est donné par le nombre m ? (1 orientation=1 orbitale ?)

Merci pour votre aide
-----

[gatsu]

Bonjour,

Je m'intéresse au programme de Physique/Chimie que j'aurais à traiter l'an prochain (première année de médecine).
Il faudra traiter de la configuration électronique, du principe de Pauli, Klechkowski, etc. auxquels je me suis déjà intéressé.

J'ai plus ou moins assimilé un cours sur les nombres quantiques.
n définit le nombre de couches

l définit la forme de l'orbitale et le nombre de sous-couches ? C'est là que ça coince, je ne comprends pas exactement ce que définit l, ni la différence entre orbitale et sous couche.

m définit l'orientation des orbitales. (sphérique, plan nodal...) Mais est ce que chaque orientation vaut pour une orbitale?
exemple avec une orbitale (sous couche ??) de type p : il y a trois orientations (si l=1), et donc, d'après le cours que j'ai (pas génial je vous l'accorde), il y a 3 orbitales. Est-ce vrai ?

Ensuite, le principe d'exclusion de Pauli.
J'ai bien compris que chaque orbitale pouvait contenir une ou plusieurs cases quantiques.
Et le principe de Pauli, tel qu'énoncé sur Wikipedia dit qu'il ne peut y avoir plus de électrons (de spin opposé) dans une meme case quantique.
Et dans le cours que j'ai, il est dit que chaque ORBITALE peut contenir au maximum deux électrons...
Et pourtant l'orbitale p peut en contenir 6, d peut en contenir 10, etc...

Pourriez-vous m'éclaircir ces sujets ?
Quelle est la différence entre une sous-couche et une orbitale ?
Orbitales et cases quantiques peuvent elles etre confondues ?
2 électrons au max dans une orbitale ou dans une case quantique ?
le nombre d'orbitales pour chaque sous-couche s,p,d,f est donné par le nombre m ? (1 orientation=1 orbitale ?)

Merci pour votre aide

Salut,

En fait ce n'est pas un sujet super simple la physique atomique .
En particulier la terminologie héritée des temps anciens comme "couche", "sous-couche" etc... n'est pas très adaptée pour comprendre la physique à l'oeuvre dans ce genre d'objets.
Le point sujet très important à maitriser est l'atome d'hydrogène pour plusieurs raisons :

-C'est l'atome le plus simple (et pourtant le calcul ne l'est pas du tout...je te laisse ragarder le wiki sur le sujet par exemple).

-Toute la nomenclature des configurations éléctroniques provient de là en fait.

Pour faire court (parce que tu vas avour un cours là dessus j'espère) je te résume l'essentiel de ce que tu vas apprendre sur l'atome d'Hydrogène :

-L'energie de l'atome d'hydrogène est donnée par :

où est la constante de Rhydberg égale à 13.6 eV et est un entier naturel non nul valant donc 1,2,3....
Ce résultat a plusieurs implications :
L'energie de l'atome est quantifiée. On entend par là qu'elle ne peut pas prendre toutes les valeurs appartenant aux réels mais seulement certaines (associée à differentes valeurs de ).
Pour cette raison le nombre est appelé nombre quantique principal. Ce nombre correspond donc au niveau d'excitation général de l'atome.

-L'origine physique de cette formule n'est pas mystérieuse : elle provient à la fois de l'intéraction électrostatique entre le proton et l'electron (energie potentielle) et de l'energie cinétique du proton et de l'électron (en réalité il s'agit essentiellement de l'energie cinétique de l'électron). Pour des raisons que je ne mentionnerai pas, il se trouve que la partie cinétique peut être réduite (dans le contexte du calcul quantique) à la façon dont les particules tournent autour l'une de l'autre (en gros à la façon dont l'électron tourne autour du proton). Un niveau d'énergie correspond ainsi à une certaine propension de l'électron à tourner autour du proton. Cette propention sera caractérisée par un nombre entier noté appelé nombre quantique secondaire qui peut valoir 0,1,2,....
Le fait que ce nombre soit entier implique également que l'électron ne peut pas tourner n'importe comment mais seulement avec certaines valeurs de "vitesse de rotation".
Mais ce n'est pas si simple. Pour passer à un niveau d'energie donné, disons un niveau excité, il y a plusieurs manières "de principe" d'augmenter l'energie formellement. Soit on augmente la distance, soit on garde la distance à peu près pareille mais on tourne d'avantage. Cela conduit relier et par l'inégalité suivante :


-Malheureusement ces deux nombres qui caractérisent le système en donnant son niveau d'energie et sa propension à tourner ne sont pas suffisant pour le caractériser complètement et on va tout de suite voir pourquoi.
Si un objet doit tourner autour d'un autre et que tu ne connais que sa la norme de sa "vitesse de rotation" tu ne sauras pas dans quelle direction il est en train de tourner ni dans quel sens et pourtant toutes ces differentes façon de faire seront caractérisées par les mêmes et .
Il faut donc introduire un autre nombre (entier relatif cette fois ci) qui te donne ces informations. Ce nombre est appelé nombre quantique magnétique (pour des raisons experimentales) et est noté . Comme sa notation (et sa définition) l'indiquent, il dépend du nombre quantique secondaire avec une inégalité


Voilà pour l'atome d'hydrogène je te laisse lire ce panflet et poser des questions le cas échéant. Si ça va je passerai très rapidement à la terminologie utilisée en chimie pour caractériser les configurations atomiques.

[invite0cc47727]

Merci pour ta réponse !
J'ai compris ce que tu m'as expliqué.

Mais je ne sais toujours pas faire la différence exacte entre sous-couche/orbitale/case quantique
(l définit une sous couche ou une orbitale ? chaque orientation donnée par m définit une orbitale ?)
On peut mettre deux électrons au max dans une orbitale, ou une case quantique, ou une sous couche ? (principe de pauli)

Merci d'avance !

[invitea774bcd7]

l et m définissent une orbitale.
l doit définir une sous-couche, je pense (chéplu ce que c'est qu'une sous-couche )
Une « case quantique » non plus je sais plus ce que c'est

[A voir en vidéo sur Futura]

[gatsu]

Merci pour ta réponse !
J'ai compris ce que tu m'as expliqué.

Mais je ne sais toujours pas faire la différence exacte entre sous-couche/orbitale/case quantique
(l définit une sous couche ou une orbitale ? chaque orientation donnée par m définit une orbitale ?)
On peut mettre deux électrons au max dans une orbitale, ou une case quantique, ou une sous couche ? (principe de pauli)

Merci d'avance !

Patience j'y arrive.

Lorsqu'on a affaire à des atomes à plusieurs éléctrons l'idée la plus simple consiste alors à décrire chacun des éléctrons comme si il était tout seul face au noyau. Dans ce contexte, la physique est la même que pour un atome hydrogénoïde (atome étant ionisé jusqu'à ce qu'il ne reste plus qu'un seul électron) c'est à dire la même que pour l'atome d'hydrogène.
Ensuite on cherche à imaginer comment se construirait l'atome si on partait d'un noyau tout nu si j'ose dire.

-Noyau tout nu + 1 electron va donc donner un atome hydrogénoide dans son état fondamental et cet électron va être caractérisé par des nombres
où est le nombre quantique magnétique de spin et peut valoir +1/2 ou -1/2 pour un électron.

-Si maintenant je veux rajouter un électron je ne vais pas pouvoir le mettre dans le même état quantique le premier en vertu du Principe de Pauli qui stipule que deux éléctrons ne peuvent pas être dans le même état (c'est à dire ne peuvent pas être décrit par les mêmes nombres quantiques). Je remarque par ailleurs que si je mets les mêmes nombres et que je change ça suffit pour ne pas être dans le même état. Donc la configuration de plus basse energie d'un atome à deux éléctrons sera caractérisé par et
.

-Si maintenant je veux en mettre un troisième je vois que je suis obligé de changer pour pouvoir le caser quelque part (toujours en vertu du principe de Pauli) mais pour changer ou il faut forcément changer de niveau d'energie . C'est donc ce qu'on va faire on passe donc à . Bon alors dans un atome à plusieurs éléctrons c'est plus compliqué que dans l'atome d'hydrogène dans le sens où, à donné, l'energie de l'électron va maintenant dépendre aussi de (de la propension à tourner), l'energie étant d'autant plus grande que est grand (c'est à cause des autres électrons en fait). Aussi si on veut fabriquer un atome à trois électrons dans son état fondamental alors nécessairement chacun des électrons sera caractérisé par :
,
et

Cela conduit à dire que l'état de plus basse energie pour un electron à et donnés sera pour le le plus petit.

Bref l'idée est de remplir imaginairement l'atome par en ajoutant successivement des éléctrons. En cherchant a priori l'état fondamental de l'atome on doit donc choisir les nombres quantiques de chaque éléctron ajouté au système déjà existant à croissant (Klechkowski).

Terminologie :

-La donnée de tous les nombres quantiques de chaque éléctron de l'atome comme je l'ai fait à chaque fois que j'en rajoutais un s'appelle une configuration électronique.

-Un niveau d'energie principal s'appelle une couche (cela vient du fait que plus et sont grand plus la distance qui sépare l'électron du noyau est grande et de ce fait on a vraiement l'impression de construire l'atome couche après couche...comme un onion).

-A l'intérieur d'une couche d'energie on peut avoir plusieurs (cela vient de l'ingélité vérifiéepar et précisée dans mon précédent message) chaque valeur de correspond alors à une sous-couche éléctronique.

-Et enfin pour une sous-couche donnée on a les mêmes valeurs d'energie possibles pour differentes valeurs de (sens de rotation etc..). Chaque valeur de pour un donné qui n'a pas d'intéret particulier en l'absence de champ magnétique (et ne fait pas varier la distance éléctron-noyau) correspond alors à une case quantique.

-Les orbitales réfèrent à deux choses en fonction du contexte :
Pour un électron donné dans l'atome l'orbitale sera la donnée de ses nombres quantiques en général.
Dans d'autres cas cela peut aussi faire référence à la "forme" du nuage de probabilité éléctronique.

est ce que ça répond un peu à certaines de tes questions ?
-

[invite251213]

Bonjour ;

Pour ces histoires de couches , c'est très simple :deux élèctrons qui ont le même nombre quantique N sont sur le même couche .

Si ces deux electrons ont les nombre N et L identiques , ils sont sur la même sous-couche .

Pour une case quantique ( ou orbitale , les deux termes sont équivalents ) , idem mais avec N , L et M .

par contre , deux élèctrons ne peuvent avoir leurs nombres quantiques N , L , M et S identiques dans le même atome .
: c'est une conséquence du principe d'exclusion de pauli .

Si deux élèctrons ont les mêmes nombre N , L et M (et donc , sont sur la même orbitale /case quantique ) , il doivent donc avoir leur nombre S (son spin) différent .
Comme un élèctron n'a que deux valeurs possibles pour son spin S : +1/2 ou -1/2 , on ne peut mettre que deux élèctrons sur une case quantique/orbitale .

[GillesH38a]

bref pour résumer :

une couche est caractérisée par la valeur de n : 1, 2 ... (en rayons X, on les appelera plutot K, L, M..)

une sous couche est caractérisée par la valeur de n ET de l :
1s, 2s, 2p,

une orbitale est caractérisée par la valeur de n, de l ET de m :
1s , 2s , 2px, 2py, 2pz, 3s,etc...

et une case quantique est l'équivalent d'une orbitale supposée comme une "boite" contenant au maximum 2 électrons (en fait je pense qu'il y a une subtile différence entre les cases qui ne font que dénombrer le nombre d'orbitales, sans préciser lesquelles et les orbitales proprement dites qui peuvent se combiner linéairement pour en donner d'autres : en fait les orbitales à m fixées sont 2p+1 et 2p-1, les orbitales px et py en étant des C.L. Mais comme il s'agit d'un changement de base vectorielle, il y aura toujours 3 orbitales 2p, et donc 3 "cases" quel que soit le choix de la base)

une orbitale contient au maximum 2 électrons
une sous couches contient (2l+1) orbitales et donc au maximum 2(2l+1) électrons
une couche contient au maximume 2.somme(2l+1) = 2n² électrons.

[invite0cc47727]

Merci à tous pour vos réponses
gatsu, es-tu d'accord avec mewtow lorsqu'il affirme qu'une orbitale et une case quantique sont la meme chose ?

Et finalement, lorsqu'on reprend le principe d'exclusion de Pauli exposé par Wikipedia :
"Le principe d'exclusion de Pauli énonce que dans un même atome, deux électrons ne peuvent posséder leurs quatre nombres quantiques identiques ; n, l et ml définissent une « case quantique » (les deux valeurs possibles de ms définissent une orientation de l'électron). Chaque case quantique peut contenir 0, 1 électron (de spin up) ou 2 électrons (de spins opposés)."

Que pensez-vous de cet exemple ? :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Configu...onique#Exemple

résume-t-il bien la terminologie ?

Merci pour votre aide

[gatsu]

Merci à tous pour vos réponses
gatsu, es-tu d'accord avec mewtow lorsqu'il affirme qu'une orbitale et une case quantique sont la meme chose ?

Oui puisqu'en effet si une orbitale correspond à la donnée de n,l et m alors ça correspond bien à la définition que j'ai donné d'une case quantique (valeur de m pour l et n donnés). La raison pour laquelle on peut avoir deux electrons par case est simplement due au nombre quanitique magnetique de spin qui peut prendre deux valeurs (qui autorise donc les mêmes valeurs de n,l et m -même case quantique donc- mais avec ms different).

Que pensez-vous de cet exemple ? :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Configu...onique#Exemple
résume-t-il bien la terminologie ?

Oui ça résume bien la terminologie je trouve.

[invite0cc47727]

Eh bien merci à tous pour vos réponses !
Je vais relire tout ça et tenter de le faire tenir sur papier...
S'il y a un problème, je vous tiendrai au courant.

Merci à tous