Freiner un électron en orbite

[EspritTordu]

Bonjour,

Peut-on freiner un électron en rotation autour d'un noyau de manière que l'électron chute sur celui-ci?


Merci.

[invite3d779cae]

C'est effectivement possible, mais le mode opératoire doit etre bien compliqué. C'est ce genre de phénomene qui se produit dans ce qu'on appel les etoiles a neutrons.

Une etoile (massive) en fin de vie expulse son enveloppe externe, et il ne reste au centre qu'un noyau extremement dense. Si dense que sous la pression les electrons fusionnent avec les noyaux.

On comprends mieu dou vien le terme etoile a neutrons car tous les protons on fusionner avec les electron pour ne laisser que des neutrons.

[invite92276dd8]

Peut on vraiment dire que les électrons on été ralentis ? Je pense plutôt qu'ils ont subi d'énormes forces de pression.

Ca reste à confirmer, mais à part une diminution draconienne de la température (0°K, en fait), il ne doit pas y avoir 36 000 moyens de ralentir un e- !

Ca doit aussi être possible en imposant un champ électrique ou magnétique, mais bien localisé ?

[invitee05ef70d]

La description de l'électron ne peut se faire sous les termes du monde classique. L'électron ne posséde ni vitesse ni d'accélération comme les objets classiques peuvent en jouir. L'électron est probabiliste et sa présence dans l'atome ne peut être décrit que par les postulats de la mécanique quantique uniquement. L'électron peut cependant fusionner avec un proton pourvu qu'on lui apporte de l'énergie sous forme de photons. Cette fusion conduit à la synthèse de neutrons qui, isolés peuvent se désintégrer en p+ et e- en moins d'une dizaine de minutes.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite92276dd8]

qu'on lui apporte de l'énergie sous forme de photons

?!?

Je pensais qu'un e- auquel on apporte de l'énergie voit son niveau énergétique augmenter, et donc grimper d'une orbite !

Pour le champ magnétique, ça n'est peut être pas représentatif, mais que se passerait il si on diminue très beaucoup la température ? L'électron cesse t il de "tourner" ? Du moins, que devient le nuage électronique ?

[invitea3fc981a]

Il faut garder en tête qu'un électron est "réparti" dans son orbitale, mais n'a pas de trajectoire, pas de vitesse, pas de position bien déterminées : par suite, il est impossible de le "ralentir" ou de le "faire tomber sur le noyau", même avec des champs électriques, magnétiques ou en faisant chuter la température à 0K.

Dans un atome d'hydrogène isolé à 0K, l'électron est sur l'orbitale la plus basse en énergie, soit la 1s ; mais il n'est pas pour autant "gelé" ni "immobile", et il ne tombe pas sur le noyau : il est sur son orbitale.

[invite92276dd8]

Que se pass t il pour un noyau lourd, comme le cuivre ou le carbone, dont le nombre d'e- est supérieur ou égal à 3 ?
A 0 K, même si les e- ont une énergie minimale, le principe d'exclusion les empeche d'être tous à 1S ! Comme je suppose que chacun reste à son niveau, cela signifierait il qu'un atome non excité est dans le même état à 0°K qu'à, disons, 300°K, par exemple ?

Par ailleurs, si les e- ont toujours une énergie donnée à 0°K, cela siginifie t il que la matière a encore de l'énergie à 0°K ? Il en faut un minimum pour empêcher les e- et les protons de s'attirer.

[EspritTordu]

Pourquoi s'arrête-t-on à la couche 1s? Pourquoi pas descendre plus prêt du noyau?

Peut-on déformer les nuages électroniques? Quelles conséquences cela entraîne-il?

[invitea3fc981a]

Je reviens à cette question que j'avais inconsciemment zappée :

Peut-on déformer les nuages électroniques? Quelles conséquences cela entraîne-t-il?

On peut effectivement déformer les nuages électroniques, à l'aide d'un champ électrique par exemple. Comme conséquence, le barycentre des charges négatives (électrons) ne coïncide plus avec le barycentre des charges positives (noyau), et l'atome ou la molécule devient donc polarisée électriquement, avec une "borne +" et une "borne -" : c'est un dipole.
Autre conséquence, l'application d'un tel champ peut également lever des dégénérescences de niveaux : deux niveaux électroniques ayant la même énergie (=dégénérés) peuvent se retrouver avec deux énergies différentes (=levée de dégénérescence) : c'est l'effet Stark dans le cas de champs électriques, ou l'effet Zeeman dans le cas de champs magnétiques.

Je n'ai pas trop saisi la difference entre les types de reseaux alcalins et metaux nobles. J'ai juste compris que les niveaux d'énergie des bandes interdites était organisé différemment. Il y a moyen d'avoir un peu plus de detail ?

Je ne vois pas trop de quoi tu parles... Pourrais-tu préciser s'il te plait ?
Peut-être parles-tu de l'article que j'ai cité plus haut, où l'on voit la structure de bandes du lithium solide. Cette structure est en fait théorique, et a été calculée pour le matériau à l'état fondamental, c'est-à-dire à 0K, où le lithium est effectivement solide. A des températures plus élevées la structure de bandes est modifiée, et lorsque le matériau change d'état elle n'a plus aucun sens.
Néanmoins les métaux ont bien des structures de bandes qui ressemblent à cela à l'état solide.

[EspritTordu]

Dans les modèles orbitaux d'électrons, l'électron subit une force électrique attirante. Sa vitesse induit une force centrifuge sur l'électron, ce qui explique pourquoi l'électron ne tombe pas sur le noyau.

Comment explique-t-on le fait que l'électron ne tombe pas sur le noyau dans le modèle quantique de l'atome?

[EspritTordu]

Sait-on l'expliquer?

[invitea3fc981a]

Que se pass t il pour un noyau lourd, comme le cuivre ou le carbone, dont le nombre d'e- est supérieur ou égal à 3 ?

Attention, l'exemple que j'ai donné était pour l'atome d'hydrogène qui n'a qu'un seul électron. Pour des atomes plus gros effectivement, le principe d'exclusion de Pauli empêche deux électrons d'être dans le même état. Les couches se remplissent donc en suivant la règle de Klechkowski (dite aussi règle de Madelung) :

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s ...

Mais il n'y a qu'à 0K que les électrons suivent exactement ce remplissage. La température (donc l'agitation thermique) va apporter de l'énergie aux électrons, qui vont donc passer dans des orbitales plus "hautes", plus énergétiques, en laissant des orbitales "basses" partiellement remplies.

Pourquoi s'arrête-t-on à la couche 1s? Pourquoi pas descendre plus prêt du noyau?

Tout simplement parce que l'orbitale 1s est la plus basse en énergie, il n'existe pas d'état de moindre énergie que pourrait occuper un électron.

On observe ainsi également que l'état de moindre énergie que peut atteindre un atome, n'est pas un état d'énergie nulle.

[hterrolle]

bonjour,

Mais il n'y a qu'à 0K que les électrons suivent exactement ce remplissage. La température (donc l'agitation thermique) va apporter de l'énergie aux électrons, qui vont donc passer dans des orbitales plus "hautes", plus énergétiques, en laissant des orbitales "basses" partiellement remplies.

Y a t'il une equation donnant les statistique de remplissage des couches en fonction de la temperature.

est ce que N(E1) = e^(- E1/kT) correspond au remplissage des couches ?

[invitea3fc981a]

L'idée est bonne, il s'agit bien d'une fonction en exponentielle -1/kT

En fait la densité de porteurs est donnée par la fonction de Fermi-Dirac (dans le cas de niveaux non dégénérés), qui donne la probabilité d'occupation d'un état d'énergie E :



où est le niveau de Fermi, c'est-à-dire en gros le dernier niveau d'énergie où il y a des électrons (mais plus rigoureusement : l'énergie dont la probabilité d'occupation est toujours égale à 1/2 quelle que soit la température).

On observe avec cette fonction, que pour T=0K, la probabilité d'occupation est strictement égale à 1 en-dessous du niveau de Fermi, et strictement égale à 0 au-dessus ; cela traduit le fait qu'à température nulle, les électrons s'arrangent tous dans l'état de plus basse énergie qu'ils peuvent occuper. Pour T>0K, l'agitation thermique va entrainer une distribution statistique des électrons dans les niveaux d'énergies supérieures.

Pour plus d'explications sur les bandes d'énergies je vous conseille ce lien et aussi cet article.

[hterrolle]

merci Konrad c'est tres interessant.

J'aurais une petite question. Je n'ais pas trop saisi la difference entre les type de reseau alcalin et metaux nobles. J'ai juste compris que les niveaux d'ernergie des bande interdite etait organisé differament. Il y a moyen d'avoir un peux plus de detail ?

[invitee05ef70d]

Salut,

NON NON NON et NON, l'électron n'a pas d'accélération , ni de vitesse pour être freiner!!! On n'arrétera jamais de le répéter!!!!!

Mecanqie classique différent de méca Q, qu'on se le dise!!!

[EspritTordu]

Peut on vraiment dire que les électrons on été ralentis ? Je pense plutôt qu'ils ont subi d'énormes forces de pression.

Ca reste à confirmer, mais à part une diminution draconienne de la température (0°K, en fait), il ne doit pas y avoir 36 000 moyens de ralentir un e- !

Ca doit aussi être possible en imposant un champ électrique ou magnétique, mais bien localisé ?

Quelle est la force nécessaire pour coller l'électron sur le noyau?

[hterrolle]

pas mal esprit tordu de se demander qu'elle force est necessaire pour que l'electron soit coller au noyau.

Cela revient a dire qu'elle force est necessaire pour qu'il reste a distance, sur son orbitale.

Je suis impatient de voir les reponses.

[EspritTordu]

je vais essayé de répondre de facon un peu plus imagé a tes questions.

Quand tu demandes pourquoi l'éctron ne tombe pas sur le noyau et est-ce qu'il y a un contact entre le nuage électronique et le noyau - eh bien, ce n'est pas un contact "physique", mais un "contact" existe au sens ou il y a une interaction électrostatique (une attraction) de type Coulombienne entre le noyau et l'électron, décrite par le potentiel de Coulomb : V=-(Ze²)/(4*pi*e₀r)

comme tu peux le voir, la distance , r, entre le noyau et l'électron est tres importante:
si on considere que r=0 (l'électron est sur le noyau), alors V tend vers (- infini). Dans l'atome, et j'insiste bien dans l'atome, ca c'est impossible.

Pour savoir pourquoi ce scénario n'est pas possible, il faut quand meme avoir un peu de connaissances en mécanique quantique, et notamment savoir ce qui en résulte de la résolution de l'équation de Schrodinger décrivant le mouvement de l'électron par rapport au noyau.

Je ne comprends pas très bien la force coulombienne dans le nuage electronique : dans un modèle orbital, c'est assez compréhensible : une boule dont les dimensions sont localisées et finies contre une tout autant connue. Dans le modèle quantique, la force de coulomb est-elle répartie sur l'ensemble du nuage?

j'insiste bien dans l'atome, ca c'est impossible

Avec du recul, Est-ce que l'image (une autre! ) de la limite de Roche est-elle concevable : au delà d'une certaine limite, l'orbite 1s, l'électron ne peut plus rester unitaire et doit se diviser en particules plus petites : or pour une particule de ce qu'il y a de plus élementaire aujourd'hui, c'est impossible... Est-ce juste de voir les choses comme cela?

[invité576543]

Bonjour,

Ce qui est frappant, dans les questions, mais aussi dans certaines réponses, est la persistence d'une volonté d'appliquer une vision classique à ce qui se passe à l'échelle atomique.

Quitte à répéter autrement ce que dit par exemple "from the sky", les notions de forces, de particules distinctes (électron), de potentiel coulombien, accélération, vitesse, etc. sont inadaptées, point.

Ca ne sert à rien de poser des questions dans ces termes, parce que faire ainsi montre que le questionneur part de pré-supposés inadaptés. La seule réponse possible est d'essayer de faire en sorte que le questionneur prenne conscience de ces présupposés et rephrase la question SANS ces présupposés.

Cordialement,

[invite887cfa94]

Marrant, qqun pose une question et d'autres répondent à une autre )

je pense que sans parler de mécanique quantique, tu as du lire quelque part qu'il existe des forces et ici en particulier des forces "spécifiques" aux échelles microscopique qui font que l'électron reste dans les parages de son noyau sans venir le "toucher" )

sinon qqun sait il pourquoi on a justement tel géométrie de proba pour tel ou tel couche electronique ?.

autre question, si à un instant t précis on connait la position exacte d'une électron, à l'instant t+epsilon, avec epsilon minimal, la nouvelle position de l'électron relative à sa position précedante est elle la surface d'une sphère ou alors n'importe ou ?

Merci

A+

[invite54194f1c]

Bonjour mmy,

Quitte à répéter autrement ce que dit par exemple "from the sky", les notions de forces, de particules distinctes (électron), de potentiel coulombien, accélération, vitesse, etc. sont inadaptées, point.

puisque tu as l'air d'etre d'accord avec ce que "from the sqy" dit, je supposerai donc (peut-etre injustement?) que tu approuves également le fait que la seule facon de traiter l'électron, à l'heure actuelle, est par la mécanique quantique - dans ce cas, et en tenant compte de ce qui est cité ci-haut, comment est-ce que tu écrirai l'équation de Schrodinger, qui, me semble-t-il, est une des équations fondamentales en MQ (mais peut-etre je me trompe ?)

On m'a toujours répété que l'Hamiltonien exprimant l'énergie d'un systeme est donné par la somme des opérateurs d'énergie cinétique et potentielle (oh, pardon, j'ai dis énergie potentielle ?!) - mais si ca se trouve mes anciens profs, et les bouquins de MQ ont tout faux ...
qui plus est, l'opérateur d'énergie cinétique fait intervenir la masse de la particule (électron, atome, molécule), qui est une "quantité" tres "classique" ...

alors, j'accepte le fait qu'il n'est pas tres approprié de parler avec des termes "classiques" quand il s'agit de traiter le microscopique, mais de là à dire que utiliser ces termes-là est totalement faux et ne peut pas donner une bonne idée d'un phénomene me semble, à priori, exagéré...

Ca ne sert à rien de poser des questions dans ces termes, parce que faire ainsi montre que le questionneur part de pré-supposés inadaptés. La seule réponse possible est d'essayer de faire en sorte que le questionneur prenne conscience de ces présupposés et rephrase la question SANS ces présupposés.

est-ce que tu connais des termes adéquats quant aux concepts dont on parle plus haut, et est-ce que tu peux montrer un exemple comment tu formulera une question sans présupposés, .. parce que critiquer c'est bien, mais pour l'instant ca ne fait pas avancer les choses ...

[invitefc6515df]

Pourtant tu as la réponse en parlant du Hamiltonnien.
Le fait que tu le traite comme un opérateur t'envoie dans le monde quantique.

Certes, on part d'un principe de correspondance, c'est-à-dire qu'on utilise ce qu'on connait (le hamiltonnien de la Mécanique Classique) et on fait des transformations suivant des règles postulées (le hamiltonien en terme d'opérateur). Postulée plus ou moins vite suivant l'approche utilisée, mais ça revient toujours à donner les transformation pour passer des fonctions de la position et de l'impulsion en des opérateurs.

Un point important est l'équation du mouvement : elle est bien spécifique, c'est l'équation de Schrödinger (dans le cas non-relativiste). Une équation tellement particulière, que ça été la première à être complexe (dans le sens des nombre imaginaire). La Mécanique Quantique fait obligatoirement intervenir des nombres complexes !

Maintenant, qu'appelles-tu une quantité classique ? Une masse, une charge, ... ? En quoi est-ce classique ?
On peut qualifier une description de classique : considérer qu'un électron, c'est un objet sphérique ou ponctuel orbitant autour d'un noyau plus ou moins sphérique.
Si tu parles d'observables, dans ce cas oui, ça peut être considéré comme "classique" dans le sens où on peut mesurer expérimentalement une telle grandeur.

[invité576543]

puisque tu as l'air d'etre d'accord avec ce que "from the sqy" dit, je supposerai donc (peut-etre injustement?) que tu approuves également le fait que la seule facon de traiter l'électron, à l'heure actuelle, est par la mécanique quantique - dans ce cas, et en tenant compte de ce qui est cité ci-haut, comment est-ce que tu écrirai l'équation de Schrodinger, qui, me semble-t-il, est une des équations fondamentales en MQ (mais peut-etre je me trompe ?)

Bonjour,

L'équation de Shrödinger appartient à la première "phase" de la MQ, dans laquelle le champ (potentiel) reste de description classique. La version "complète", avec quantification du champ, est la Théorie Quantique des Champs, dans le cas présent, son application à l'électro-magnétiseme, la QED (sigle anglais).

Dans ce cadre le hamiltonien se présente comme l'énergie totale calculée sur les champs. Les notions d'énergie cinétique et potentielle prennent alors des sens différents.

On m'a toujours répété que l'Hamiltonien exprimant l'énergie d'un systeme est donné par la somme des opérateurs d'énergie cinétique et potentielle (oh, pardon, j'ai dis énergie potentielle ?!) - mais si ca se trouve mes anciens profs, et les bouquins de MQ ont tout faux ...

si ç'a t'amuse. Ils n'ont pas plus faux que les bouquins qui décrivent la mécanique classique, ou la gravitation selon Newton. Ils décrivent simplement des approches simplifiées par rapport à la physique élaborées à ce jour. Mais c'est cette dernière qui permet de répondre aux questions les plus difficiles...

qui plus est, l'opérateur d'énergie cinétique fait intervenir la masse de la particule (électron, atome, molécule), qui est une "quantité" tres "classique" ...

L'interprétation de la masse est une des plus compliquées et variables selon les théories (simplifiées ou non) de la physique. Les interprétation en classique et en relativité restreinte sont distinctes. La QFT présente encore une approche distincte (la masse des "particules" devient impropre, simplement parce que la notion de "particule" même devient impropre; on peut aussi citer le mécanisme de Higgs). Un modèle satisfaisant de la masse manque encore (unification de la QFT et de la RG), et quand il apparaîtra, sera loin de l'interprétation classique.

alors, j'accepte le fait qu'il n'est pas tres approprié de parler avec des termes "classiques" quand il s'agit de traiter le microscopique, mais de là à dire que utiliser ces termes-là est totalement faux et ne peut pas donner une bonne idée d'un phénomene me semble, à priori, exagéré...

Ce n'est pas "totalement faux", mais inadapté à certaines questions. Tant que les questions peuvent se répondre en termes classiques, utiliser cette vision classique (= simplifiée) peut avoir un sens. Mais l'utilisation des termes "classiques" a de sérieuses limites, et la plupart des questions posées sur ce fil ont passé outre ces limites.

est-ce que tu connais des termes adéquats quant aux concepts dont on parle plus haut, et est-ce que tu peux montrer un exemple comment tu formulera une question sans présupposés, .. parce que critiquer c'est bien, mais pour l'instant ca ne fait pas avancer les choses ...

Bonne remarque. Ce que je fais est simple: j'avance à pas lents dans ma tentative de compréhension de la RG et de la QFT, et accepte qu'il me faudra longtemps avant de prétendre comprendre les réponses au sujet de ce qui se passe en détail dans un atome (entre autres).

J'imagine que c'est très frustrant comme réponse. L'idée qu'il suffit de poser une question pour avoir une réponse que l'on va comprendre est très (trop) répandue. Malheureusement, ça ne marche pas comme ça. Je suis passé par là, comme tout le monde. Puis j'ai réalisé qu'avant d'apprendre, avant de pouvoir même poser des questions sensées, il me fallait désapprendre, mettre en doute mes connaissances préalables, pour être ouvert à d'autres manières de voir, plus adaptées. Ce désapprendre, cette mise en doute, n'est pas facile. Mais, qu'on l'accepte ou non, elle est nécessaire.

Cordialement,

[invité576543]

Re-Bonjour,

Après relecture, je vais essayer d'être plus "constructif". Ca m'oblige à m'aventurer dans des domaines que je ne maîtrise pas, parce qu'en fait je ne sais pas vraiment comment "bien" poser la question...

Prenons une des questions, rephrasée: pourquoi les électrons ne tombent pas sur le noyau.

En terme de théorie quantique des champs, il me semble que la question devient quelque chose comme cela:

Pourquoi n'y a-t-il pas de transitions observées correspondant à l'absorption d'un électron par le noyau? Comme par exemple une transition u + e -> d + xxx.

(u et d des quarks du noyau, et xxx la ou les particules nécessaires pour respecter la conservation des différentes charges, a priori c'est un neutrino, pour le bilan de la charge leptonique).

(Les mots électrons, noyaux, etc. sont utilisés, mais on pourrait pousser le jeu plus loin et parler de la transition du champ d'électron de l'état Z=n à l'état Z=n-1, et quelque chose d'équivalent pour le champ de quark.)

La QFT peut offrir différentes réponses à la question posée ainsi (et je n'en connais pas assez pour dire que l'une est bonne...)

- La transition existe, mais l'état du noyau résultant subit avec une très grande probabilité la transformation inverse, qui ramène à l'état précédent. (Typique de transition à bilan énergétique négatif...)

- La transition est interdite par telle ou telle "règle de sélection" (le concept de règle de sélection fait partie de la QFT)

- Il n'y a pas d'état possible du noyau résultant (peu vraisemblable, il y a plein de cas de paires de noyaux stables de même A et de Z différant d'une unité.)

Cordialement,

[invite54194f1c]

Bonjour,

Prenons une des questions, rephrasée: pourquoi les électrons ne tombent pas sur le noyau.

En terme de théorie quantique des champs, il me semble que la question devient quelque chose comme cela:

Pourquoi n'y a-t-il pas de transitions observées correspondant à l'absorption d'un électron par le noyau? Comme par exemple une transition u + e -> d + xxx.

j'avoue que, pour moi personnellement, ca commence à devenir plus interessant et instructif comme discussion - je reconnais que je ne connais pas la QFT (il faut dire que je ne suis pas un physicien). j'essaierai de m'informer plus à ce sujet avant d'entrer dans des débats éffrénés
aussi, je trouve que c'est plus sympathique comme démarche de montrer des alternatives à la question, que de dire simplement à quelqu'un "nono, t'as question est inadéquate, c'est n'importe quoi"...
(c'est parce que, c'est un peu le but du forum, si j'ai bien compris)


cependant, j'aimerais juste avancer une remarque (probablement infondée?) :

- La transition existe, mais l'état du noyau résultant subit avec une très grande probabilité la transformation inverse, qui ramène à l'état précédent. (Typique de transition à bilan énergétique négatif...)

- La transition est interdite par telle ou telle "règle de sélection" (le concept de règle de sélection fait partie de la QFT)

- Il n'y a pas d'état possible du noyau résultant (peu vraisemblable, il y a plein de cas de paires de noyaux stables de même A et de Z différant d'une unité.)

ca ressemble péniblement comme idées à celles que fournit la MQ (mais probablement c'est une impression d'ignorant en la matiere) : au fond, ce champ quantifié n'est-il pas une sorte d'équivalent au potentiel (électronique)? c'est juste une histoire de vocabulaire ou bien il y a effectivement des concepts totalement différents?

[invité576543]

ca ressemble péniblement comme idées à celles que fournit la MQ (mais probablement c'est une impression d'ignorant en la matiere) : au fond, ce champ quantifié n'est-il pas une sorte d'équivalent au potentiel (électronique)? c'est juste une histoire de vocabulaire ou bien il y a effectivement des concepts totalement différents?

Pour ce que j'en comprends, la parenté existe évidemment, la notion de potentiel électro-magnétique est le pendant classique du champ quantifié. Mais là où la différence est profonde, c'est que la QFT parle aussi de champ pour les électrons/positrons, ou pour les quarks. Les particules classiques (électrons) et les champs (photons/champ e.m.) sont traités de la même manière. Ca, c'est difficile d'y voir le même concept qu'en MQ "premier niveau".

Ensuite, les concepts se compliquent furieusement, avec les notions de champs de spineur, qui incluent dans la description non seulement les propriétés classiques genre position/vitesse, mais aussi des concepts non classique comme le spin, le tout dans un seul champ, là où la MQ "premier niveau" les adressent de manière indépendante.

Tout ça c'est bien les idées de la MQ, mais poussées si loin que les concepts semblent vraiment différents, bien au-delà de la différence de vocabulaire.

Tout cela avec des réserves, je répète que je ne suis qu'un humble amateur essayant, péniblement, d'entrer dans ces contrées difficiles...

Cordialement,