Comment les électrons se répartissent sur les différentes couches?

[evrardo]

Bonjour:
puisque les électrons ont tous la même charge et la même masse, pouvez vous m'expliquer comment ils se disposent en différentes couches.

Merci pour vos explications
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[Sethy]

C'est un phénomène observé expérimentalement. Par la suite, il y a des théories qui tentent de l'expliquer.

La plus importante est le caractère "fermionique" de l'électron, ce qui exclu que 2 particules soient exactement dans le même état "quantique".

Il y a différents états peuplé successivement en fonction de leur énergie. Lorsqu'on comprime très fortement la matière (par exemple dans un trou noir), il faut vaincre toute une série de force de répulsion et l'une d'entre elle est justement ce caractère fermionique. Si on comprime fortement la matière, il est logique que les électrons vont empiéter les uns sur les autres et finalement faire comme si plusieurs électrons partageaient les mêmes états.

[Deedee81]

Bonjour,

J'ai déplacé en physique où il me semble que cela est beaucoup mieux placé

Explication grossière en quelques étapes :

- L'interaction électromagnétique entre l'électron, chargé négativement, et le noyau chargé positivement, implique que les électrons vont avoir tendance à se lier au noyau avec une énergie potentielle donnée par la loi de Coulomb.
- La Mécanique Quantique vient ensuite mettre son grain de sel. A cause du caractère ondulatoire des électrons, seule certaines orbitales sont autorisées (les couches). Une explication simple est la règle de Sommerfeld/Bohr. Si tu considères l'électron comme une onde, sur une orbite, comme une corde vibrante, le nombre de longueur d'onde sur le tour est forcément quantifié (sinon la "corde" se casserait). La MQ rend cela un peu plus compliqué avec les orbitales et les probabilités de présence, mais le principe est là, c'est quantifié.
- Ensuite les électrons tendent à se mettre sur l'orbite la plus basse car c'est celle d'énergie la plus basse. Le "surplus" d'énergie est alors émis sous forme, par exemple, d'un photon. Le photon part et c'est pour ça que l'électron reste là (en pratique, il y a toujours pleins d'atomes et d'énergie disponible, via l'agitation thermique par exemple, et il y a toujours un certain équilibre qui s'établit entre états non excités et états excités)
- Enfin, les électrons sont des fermions, de spin demi-entier. Ils obéissent ainsi au principe d'exclusion de Pauli (plus techniquement, la fonction d'onde de plusieurs électrons de même état de spin doit être antisymétrique, la raison profonde étant liée à la mécanique quantique et la relativité). Cela implique que deux électrons ne peuvent être dans le même état quantique. Donc, sur une orbitale donnée, on ne peut avoir que deux électrons (deux états de spin)

Et tout le reste en découle.

[evrardo]

Merci JP pour ta longue explication.
Mais je dois t'avouer que je n'ai pas tout compris, non pas que tu n'es pas clair dans ton explication, mais il me manque certaines connaissances pour pouvoir tout appréhender!
Merci quand même.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Ce n'est pas un problème. On peut détailler. Tu peux (si tu le souhaites) dire "ce point là je ne comprend pas bien... Que signifie... Qu'est-ce que...." Etc.
On peut alors expliquer et ou donner des références.

[evrardo]

Ce n'est pas un problème. On peut détailler. Tu peux (si tu le souhaites) dire "ce point là je ne comprend pas bien... Que signifie... Qu'est-ce que...." Etc.
On peut alors expliquer et ou donner des références.

Ok, merci, on va essayer alors ... Mais je suis un élève difficile. Celui qui se met près du radiateur au fond de la classe.

- L'interaction électromagnétique entre l'électron, chargé négativement, et le noyau chargé positivement, implique que les électrons vont avoir tendance à se lier au noyau avec une énergie potentielle donnée par la loi de Coulomb.

Ok pour ceci.

La Mécanique Quantique vient ensuite mettre son grain de sel. A cause du caractère ondulatoire des électrons, seule certaines orbitales sont autorisées (les couches). Une explication simple est la règle de Sommerfeld/Bohr. Si tu considères l'électron comme une onde, sur une orbite, comme une corde vibrante, le nombre de longueur d'onde sur le tour est forcément quantifié (sinon la "corde" se casserait). La MQ rend cela un peu plus compliqué avec les orbitales et les probabilités de présence, mais le principe est là, c'est quantifié.

Un électron n'est pas une onde, il s'agit bien d'une particule ayant une masse. Cela n'a rien à voir avec les photons.
Merci pour ton explication.

[mach3]

Un électron n'est pas une onde, il s'agit bien d'une particule ayant une masse. Cela n'a rien à voir avec les photons.

ben si justement... les électrons donnent des figures de diffraction, comme les photons...

m@ch3

[Deedee81]

Salut,

En complément.

On peut effectivement faire des expériences de Young avec des électrons. Et le microscope électronique exploite le caractère ondulatoire des électrons (les bobines fonctionnent comme des lentilles, et le pouvoir de résolution est donné par la longueur d'onde électronique).

Toutes les particules quantiques ont une nature commune. Elles ont un comportement à la fois ondulatoire et corpusculaire. Ce fut la grande découverte de Louis de Broglie qui a donné la relation générale entre impulsion et longueur d'onde.

On peut donc dire que toutes les particules quantiques ont même nature mais ne diffèrent que par quelques propriétés :
- masse
- charges (au pluriel : charge électrique, faible, couleur, leptonique, etc...)
- spin

En fait, la meilleure description qu'on puisse donner d'une particule est certainement celle d'une onde. On peut alors imaginer une particule localisée (comme un électron percutant un écran cathodique ou laissant une trace bien visible dans une chambre de Wilson) comme étant un petit paquet d'ondes bien localisé.

Mais attention, ce ne sont pas des ondes classiques (comme le son ou les vagues). Il y a des différences importantes. Les deux principales étant :
- L'interaction est ponctuelle (le fait qu'elle se produit à tel ou tel endroit est aléatoire, mais ça c'est aussi lié à l'interprétation)
EDIT : c'est ce point là qui donne le caractère corpusculaire.
- Lorsque l'on a deux particules, on n'a pas deux ondes mais une seule décrite par six coordonnées spatiales. Ca conduit à des trucs totalement non classique comme l'intrication quantique

Le fait d'avoir diverses propriétés n'est pas typiquement quantique. Une onde classique peut être scalaire (son), vectoriel (onde électromagnétique), tensoriel (ondes gravitationnelles). Correspondant aux spins 0, 1 et 2 (le spin demi-entier est particulier au "monde quantique"). Elles peuvent aussi transporter de l'énergie, une impulsion, etc...