Intéractions électromagnétiques

[rdonasol]

Bonjour à tous et merci d'avance pour vos réponses.
Je ne suis pas un expert dans le domaine de la physique quantique, je vous serai grés d'utilisé un vocabulaire compréhensible merci .

Grâce à mes cours de physique de terminale et à des vidéos sur YouTube, j'ai bien compris pourquoi les électron restaient à distance du noyau. Mais il y a quelque chose que je ne comprends pas, "Pourquoi les électrons tournent autour du noyau?".
En effet, les électrons tournent mais les forces électromagnétiques en présence ne se compensent pas pour former un système stable, ma question est donc "Pourquoi?".

J'espère surtout que la réponse existe .

Merci encore.
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[bachir1994]

Bonjour,
Avant tout il faut savoir que la question "pourquoi" est du ressort de la philosophie, la science ne s'occupe que du "comment".
concernant ta question il faut commencer par ce lien : https://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_atomique,
A+

[bachir1994]

Ou plutôt celui-ci :
http://physiquereussite.fr/latome-2/

[Nicophil]

Bonjour,

"Pourquoi les électrons tournent autour du noyau?".
En effet, les électrons tournent mais les forces électromagnétiques en présence ne se compensent pas pour former un système stable, ma question est donc "Pourquoi?".

Si, l'atome non-radioactif isolé est un système stable : le nuage électriquement négatif qui environne le noyau électriquement positif est stable.

[A voir en vidéo sur Futura]

[albanxiii]

Bonjour,

Les électron ne tournent pas autour du noyau, cela correspond à une vision de physique classique qui a conduit au modèle de Bohr, qui n'est pas utilisé depuis plus d'un siècle.
C'est justement parce que la physique classique n'explique pas la stabilité des atomes que la mécanique quantique a été développée. Il est vain d'essayer de trouver des analogies avec la physique et en particulier avec la mécanique classique.

@+

[rdonasol]

Bonjour et merci por vos réponses.

Alors si j'ai bien tout compris, l'électron ne tourne pas de manière orbitale autour du noyau mais il occupe plutôt un espace suivant la probabilité qu'il a de s'y trouver.
Et désolé, quand je disait stable je ne pensais pas aux niveau d'énergie des électrons (pour Nicophil), j'utilisais là du vocabulaire de mécanique classique mais j'aurai du dire "statique", rien ne bouge quoi. Mais si les interactions entre protons et électrons se compensent et permettent que les électrons restent a distance du noyau, quelle est la force qui autorise le mouvement de l'électron?

merci d'avance.

[rdonasol]

Enfin je voulais dire, "Quel phénomène physique est responsable du mouvement de l'électron?".

[Deedee81]

Salut,

Quelques infos (qui pourraient nous emmener loin, tout dépendra de tes questions )

Mais si les interactions entre protons et électrons se compensent et permettent que les électrons restent a distance du noyau, quelle est la force qui autorise le mouvement de l'électron?

A cette échelle "quantique" il est délicat de parler de "mouvement". Mais on peut dans certains états avoir un moment angulaire moyen non nul, donc il y a au moins un moyen d'en parler. Alors faisons comme ci.
(dans l'état S, un électron n'a aucun moment cinétique, il ne tourne pas et répartit en forme de "nuage" sphérique autour du noyau).

Lorsque le moment angulaire est non nul, on peut dire que "l'électron tourne". Mais pas besoin de force pour ça !!!! Tout objet ayant une certaine vitesse continue indéfiniment sur sa lancée. C'est lié aux lois de conservation (énergie, moment angulaire, quantité de mouvement) et cela reste vrai en mécanique quantique (même si la formulation nécessite une adaptation au formalisme de la MQ).

Normalement, en mécanique classique, l'électron disons dans un état S devrait tomber sur le noyau (même sans cette histoire de particule accélérée qui émet du rayonnement auquel furent confrontée Bohr et les pères fondateurs) puisqu'il ne tourne pas. Qu'est-ce qui le maintient dans son "nuage" ? Rien !!!!! Car c'est son état comme ça. Un électron (et toute particule) est étalé. Il ne faut surtout pas voir la probabilité de présence de l'électron dans le nuage comme une ignorance (l'électron est quelque part mais on ne saurait pas où : c'est faux !!!!). C'est réellement son état (ce qui se confirme facilement avec des expériences d'interférences comme Young) et la probabilité est seulement celle d'interagir avec cet électron si on essaie de le localiser avec une très très grande précision (et dans ce cas, c'est son état de vitesse qui s'étale fortement avec une grande chance de voir l'électron éjecté de l'atome. Notons qu'une grande précision => une petite longueur d'onde => une énergie énorme. Si on localise précisément l'électron avec par exemple un photon gamma, pas étonnant qu'il soit éjecté. Tout ce tiens, c'est élégant et cohérent, mais il faut rejeter comme la peste certaines mauvaises habitudes/visions issues du monde classique).

[rdonasol]

Merci de ta réponse c'est déjà un peu plus claire. Mais tu dis qu'il est délicat de parler de mouvement, peux-tu m'en dire plus?

Tu dis également que d'après les lois de conservation, l'électron ""tourne"" sans qu'il n'y ait de force, dans ce cas peut-on parler d'une "poussée originelle"? Car si il y a mouvement (à moins que ce ne soit pas un mouvement comme on pourrait l'entendre en mécanique classique), il y a forcément une force à l'origine de ce mouvement.
Et le fait qu'il se maintient dans son nuage à distance du noyau serait un état et non le résultat d'interactions ? (là j'ai pas tout compris ).

Merci d'avance.

[Deedee81]

Merci de ta réponse c'est déjà un peu plus claire. Mais tu dis qu'il est délicat de parler de mouvement, peux-tu m'en dire plus?

En mécanique quantique un objet n'a pas nécessairement de position ni de vitesse bien définis. En fait, les deux ne peuvent pas être infiniment précis.
Voir : https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_d%27incertitude
Ca résulte directement de la représentation en fonction d'onde ou plus techniquement du fait que les observables (opérateurs) position et vitesse ne commutent pas (x*v n'est pas égal à v*x en MQ, ce ne sont pas de simples nombres).

Or pour parler de mouvement/trajectoire il faut pouvoir parler de position et vitesse précis. La notion de mouvement et de trajectoire est donc délicate (plus compliquée) en MQ.

Tu dis également que d'après les lois de conservation, l'électron ""tourne"" sans qu'il n'y ait de force, dans ce cas peut-on parler d'une "poussée originelle"? Car si il y a mouvement (à moins que ce ne soit pas un mouvement comme on pourrait l'entendre en mécanique classique), il y a forcément une force à l'origine de ce mouvement.

"Poussée originelle", curieuse expression Mais on peut le dire comme ça. Oui. Ca vient de la liaison de l'électron avec le noyau. Tu as un électron libre qui se balade puis il est attiré par un noyau (force électrostatique). Une partie de l'énergie potentielle se retrouve alors sous forme d'énergie cinétique (mouvement). Pour le coup, tu as la même chose en mécanique classique : une planète se balade, elle passe près d'une étoile, elle est attirée et peut-être capturée. Elle tourne alors indéfiniment sans qu'on ait besoin de la pousser.

Là où ça se complique c'est qu'en MQ on a aussi :

Et le fait qu'il se maintient dans son nuage à distance du noyau serait un état et non le résultat d'interactions ? (là j'ai pas tout compris ).

N'imagine pas l'électron comme un petit corpuscule, comme une petite bille. Cette image est fausse. C'est plutôt comme une onde, comme une vague (bien que ce ne soit pas une onde classique pour quelques raisons techniques mais les différences sont quand même moins "violentes" qu'avec un corpuscule. C'est pour ça que je préfère cette image). Tu as ainsi une "grosse" vague répartir autour du noyau.

Ca résulte du principe d'incertitude d'ailleurs. L'électron ne peut pas être localisé trop près du noyau car cela voudrait dire une grande précision sur sa position => une grande incertitude, énorme, sur sa vitesse. Vitesse qui peut alors être assez grande pour éjecter l'électron. Il existe ainsi une position d'équilibre (en utilisant le principe d'incertitude, la vitesse moyenne et l'équilibre électrostatique - force centrifuge, on peut faire un calcul heuristique, assez iconoclaste car on mélange notions classiques et quantiques, et on trouve à la grosse louche que la distance moyenne est d'environ un rayon de Bohr pour un noyau constitué d'un seul proton. Ca correspond à ce qu'on observe).

[stefjm]

Tu dis également que d'après les lois de conservation, l'électron ""tourne"" sans qu'il n'y ait de force, dans ce cas peut-on parler d'une "poussée originelle"? Car si il y a mouvement (à moins que ce ne soit pas un mouvement comme on pourrait l'entendre en mécanique classique), il y a forcément une force à l'origine de ce mouvement.

Il n'y a pas forcément de force à l'origine d'un mouvement, même en mécanique classique.
Pourquoi faudrait-il partir de conditions initiales nulles?
S'il y a mouvement et absence de force, ce mouvement se maintient.

[rdonasol]

Ok je comprends mieux pourquoi il est difficile de parler de mouvement, en fait on est pas capable de mesurer et le vitesse et la position de manière précise.

Pour reprendre ton exemple de planètes, on a effectivement une zone autour de la planète Terre où les satellites tournent autour sans pour autant retomber (c'est l'orbite géostationnaire). Donc effectivement, (si c'est comparable) on peut comprendre pourquoi l'électron ne rencontre jamais le noyau.

Ce que tu m'explique, en gros, c'est qu'au début l'électron se balade, il rencontre le noyau et il est attiré, il se mets dans une sorte d'orbite géostationnaire et continue à tourner de manière indéfinie (à moins que l'échelle de temps en question soit si gande qu'elle soit considérée comme incalculable, vu que l'infini n'a pas de limite, mais là c'est presque de la phylo ).

[coussin]

Pour reprendre ton exemple de planètes, on a effectivement une zone autour de la planète Terre où les satellites tournent autour sans pour autant retomber (c'est l'orbite géostationnaire). Donc effectivement, (si c'est comparable) on peut comprendre pourquoi l'électron ne rencontre jamais le noyau.

C'est pas la seule orbite où le satellite ne retombe pas...
C'est la distance particulière où le satellite reste à la verticale du même point (le satellite tourne donc à 2 pi rad / 24 h).
Pour d'autres orbites, le satellite ne tombe pas mais tourne soit plus vite soit plus lentement que la Terre.

[rdonasol]

Ah ok effectivement, géostationnaire c'est quand il tourne à le même vitesse que le Terre.

[Amator]

Bonjour,
Je vous lis et je ne vois pas la raison pour laquelle l'électron ne se crash pas sur le noyau.
La force électrostatique attire l'électron vers le noyau et à un moment, l'électron s'arrête.
Quelle est cette force qui l'empêche de fusionner avec le noyau ?

Merci par avance.

[Deedee81]

Je le répète :

L'électron n'est PAS un petit corpuscule. C'est plutôt comme une "vague" (un onde). Une vague beaucoup plus grande (vu les énergies en jeu) que le noyau et centrée sur le noyau.
Dans ces conditions, comment pourrait-il se cracher sur le noyau ?
C'est comme si tu demandais "pour quoi la mer méditerranée ne se crache pas sur le galet qui est au fond alors que la force de gravité attire la mer vers le bas" ?

Répétons le une troisième fois : l'électron n'est pas un petit corpuscule, une petite bille.
(je déteste même la "dualité onde corpuscule" : elle ne fait qu'induire les gens en erreur et on s'en passe très bien. D'ailleurs même Bohr avait décidé de l'appeler ensuite dualité cinématique - dynamique, ce qui est en effet plus censé, ou "libre v.s. en interaction")

[mach3]

Je vous lis et je ne vois pas la raison pour laquelle l'électron ne se crash pas sur le noyau.
La force électrostatique attire l'électron vers le noyau et à un moment, l'électron s'arrête.
Quelle est cette force qui l'empêche de fusionner avec le noyau ?

Pour enfoncer le clou, sans même évoquer l'aspect ondulatoire en restant semi-classique, l'électron va simplement passer à travers le noyau (en étant éventuellement dévié) et repartir de l'autre côté à toute berzingue, jamais il ne s'arrêtera, surtout au niveau fondamental, il n'y a pas d'état d'énergie inférieur.
Ni l'électron ni le noyau ne sont des billes dures et consistantes. De plus si le noyau est stable l'électron ne peut pas fusionner avec le noyau car il n'y a pas assez d'énergie, le noyau obtenu serait bien plus massif que le noyau initial + l'électron (un peu comme si vous mettiez de l'eau et du dioxyde carbone ensemble et que vous attendiez que ça produise de l'essence et du dioxygène... ou que vous entassiez des poutrelles en acier n'importe comment et que vous attendiez que ça produise la tour Eiffel...).
Dans quelques cas (noyaux trop riches en protons), des noyaux instables peuvent effectivement capturer un électron du nuage électronique, c'est possible parce que dans ces cas précis le nouveau noyau obtenu est plus léger que l'ancien + l'électron.

m@ch3

[Amator]

Si j'essaye de synthétiser et reformuler vos propos, à deedee81 et à mach3, l'électron serait comme une vague autours du noyau. ça je visualise sans peine, j'avais déjà cette représentation.
Toutefois le champs électrique positif du noyau attire bien l'électron en toute circonstance ?

Je ne comprends toujours pas ce qui fait que l'électron-vague ne s'approche pas plus du noyau que l'orbitale la plus basse.
SVP évitez les analogies et essayez de me répondre au plus près de la réalité. Ne me ménagez pas, je comprendrai un jour.

[mach3]

Si j'essaye de synthétiser et reformuler vos propos, à deedee81 et à mach3, l'électron serait comme une vague autours du noyau. ça je visualise sans peine, j'avais déjà cette représentation.
Toutefois le champs électrique positif du noyau attire bien l'électron en toute circonstance ?

si le noyau n'était pas là, la "vague" s'étalerait et se diluerait, comme des rides sur la surface de l'eau. Le champ électrique "garde l'onde captive", elle se superpose sur elle-même et interfère avec elle-même, ce qui fait qu'il n'y a que certains modes possibles, résultants d'interférences constructives, qui peuvent exister, ce sont des ondes stationnaires, comme un tube d'orgue, ou sur une corde de guitare, sauf que c'est en 3D. Le mode fondamental possède l'énergie la plus basse, il n'y a pas de mode en dessous. Et au-dessus, il y a plein d'harmoniques, et comme on est en 3D, il y a de plusieurs types, des radiales et des sphériques.

Je ne comprends toujours pas ce qui fait que l'électron-vague ne s'approche pas plus du noyau que l'orbitale la plus basse.

non, la "vague" rempli tout l'espace (aux surfaces nodales près = noeud pour les ondes stationnaire 1D), noyau y compris, et c'est d'ailleurs là que son "amplitude" est la plus forte dans les modes "s" (ceux qui n'ont pas d'harmoniques sphériques). Globalement, l'amplitude chute avec la distance au noyau.

m@ch3

[Deedee81]

Salut,

elle se superpose sur elle-même et interfère avec elle-même, ce qui fait qu'il n'y a que certains modes possibles

C'est ce qui explique que le modèle de Bohr fonctionne bien car sa condition de quantification, surtout avec l'amélioration de Sommerfeld, revient à quantifier les modes de vibrations d'une corde circulaire.
J'avais vu ça en chimie physique (bidjou, ça ne me rajeunit pas ).

[Amator]

Merci mach3, c'est maintenant plus clair.
Evidemment maintenant les interrogations fusent...

Puisque l'électron agit comme une onde (je sais que la fonction d'onde est un modèle mathématique qui décrit bien les expériences) , se serait une onde de quoi ? de matière ? d'énergie ? autre ? le sait on ?

Quels sont les ordres de grandeur des fréquences de ces électrons-onde stationnaires autour du noyau ? mesure-t-on quelque chose ?

[rdonasol]

Bonjour, comme le dit si bien Jamie dans "c'est pas sorcier", les électrons et les protons s'échangent en permanence des photons (responsables de l'émission de lumière entre autre). Cette échange permet de maintenir les électrons à distance du noyau.

Je te laisse le lien de l'épisode si tu veux, ça a le mérite d'être claire et compréhensible, pour toi c'est à partir de la 6èm minute que ça devient intéressant.
https://www.youtube.com/watch?v=hxMNJ6-8n5c&t=462s

Voilà j'espère avoir répondu à ta question et j'espère surtout que je ne t'ai pas dit de conneries

[mach3]

Puisque l'électron agit comme une onde (je sais que la fonction d'onde est un modèle mathématique qui décrit bien les expériences) , se serait une onde de quoi ? de matière ? d'énergie ? autre ? le sait on ?

Au même titre que le photon est une excitation élémentaire du champ électromagnétique, l'électron est l'excitation élémentaire d'un champ, le champ électronique. A tout type de particule, il y a un champ associé dont la particule est l'excitation élémentaire. Ces excitations sont des oscillations du champ, des ondes donc, qui se propagent, interfèrent, etc. Comme toutes les ondes, leur propagation s'accompagne d'un transport d'énergie et de quantité de mouvement (et donc, éventuellement, de masse). En fonction des champs, il peut y avoir d'autres grandeurs qui sont transportées, comme la charge électrique. Enfin, les différents champs sont couplés entre eux de manière plus ou moins complexe, ce qui explique qu'ils interagissent : une excitation du champ électronique va se propager différemment suivant l'état du champ électromagnétique et réciproquement, la propagation d'une excitation du champ électronique va modifier l'état du champ électromagnétique.

Quels sont les ordres de grandeur des fréquences de ces électrons-onde stationnaires autour du noyau ? mesure-t-on quelque chose ?

On s'intéresse plutôt à la longueur d'onde (mais connaissant la vitesse on peut revenir à la fréquence) et c'est simplement donné par la fameuse relation de De Broglie : , avec h la constante de Planck et p la quantité de mouvement (masse multiplié par la vitesse en régime non relativiste). C'est très bien défini pour des électrons libres (la quantité de mouvement peut avoir une incertitude très faible), mais moins évident pour des électrons liés (la quantité de mouvement à une incertitude très élevée).
En semi-classique, quand on considérait que l'électron tournait autour de l'atome, on considérait que l'orbite n'était stable que si son périmètre était un multiple entier de la longueur d'onde (condition pour avoir des interférences constructives). Ca ne fait plus vraiment sens aujourd'hui.

m@ch3

[Deedee81]

EDIT croisement avec mach3

Puisque l'électron agit comme une onde (je sais que la fonction d'onde est un modèle mathématique qui décrit bien les expériences) , se serait une onde de quoi ? de matière ? d'énergie ? autre ? le sait on ?

Une onde.... d'électron

On peut le voir aussi comme une variation périodique d'un champ en tout point. On l'appelle champ de Dirac.
Et l'électron étant considéré comme une particule élémentaire (donc qui n'est pas composée d'autres choses), on peut dire que l'électron est ce champ de Dirac ou que ce champ de Dirac est composé d'électrons (et de positrons).
Et ce champ est caractérisé par une série de propriétés (spin, masse, charge,...)

Quels sont les ordres de grandeur des fréquences de ces électrons-onde stationnaires autour du noyau ? mesure-t-on quelque chose ?

La flemme de calculer.
Mais pour avoir un ordre de grandeur, on peut utiliser (avec les unités appropriées, peut y avoir un 2pi) :
Energie cinétique = e² / 2r
e = charge électrique élémentaire
r = rayon de Bohr
et diviser par la constante de Planck, ce qui donne la fréquence.

[coussin]

D'après la théorie de De Broglie, c'est une onde de probabilité. C'est la probabilité de présence qui oscille, se propage comme une onde.

[coussin]

[...] (avec les unités appropriées, peut y avoir un 2pi) : [...]

Malheureux, tu vas invoquer stefjm !

[Deedee81]

D'après la théorie de De Broglie, c'est une onde de probabilité. C'est la probabilité de présence qui oscille, se propage comme une onde.

Je préfère dire "probabilité de détection" (si on mesure avec une grande précision la position). Car "probabilité de présence" donne la fausse impression qu'il s'agit bien d'un petit corpuscule dont on ignorerait la position.
Bon, ceci dit, un bohmien lui apprécierait Mais je ne suis pas bohmien.

[stefjm]

Malheureux, tu vas invoquer stefjm !

Puisque tu parles de moi, pourquoi c'est seulement un 2pi (comme pour un cercle 1D) alors qu'on est en volume 3D?

[Nicophil]

D'après la théorie de De Broglie, c'est une onde de probabilité. C'est la probabilité de présence qui oscille, se propage comme une onde.

Bon, ceci dit, un bohmien lui apprécierait Mais je ne suis pas bohmien.

C'est bizarre : la théorie DDB, c'est le refus de l'interprétation probabiliste de la fonction d'onde (Mécanique Quantique) au profit d'une interprétation ondulatoire (Mécanique Ondulatoire)...

[Deedee81]

Salut,

C'est bizarre : la théorie DDB, c'est le refus de l'interprétation probabiliste de la fonction d'onde (Mécanique Quantique) au profit d'une interprétation ondulatoire (Mécanique Ondulatoire)...

Je suis d'accord avec le début, mais pas la fin : l'interprétation est corpusculaire.... ou plutôt les deux
(corpuscules guidés par la fonction d'onde, version améliorée de de Broglie)
Les particules sont considérés comme des corpuscules en mécanique bohmienne.