Mécanique quantique et niveaux d'énergie

[Paul_UTT]

Bonjour,

désolé de paraître naïf aux yeux de certains après la question qui va suivre mais voilà : je suis en Terminale scientifique et nous venons de commencer à étudier la mécanique quantique (à la découvrir, plus précisément ! ). Nous avons vu que l'atome n'était pas comparable à un système solaire miniature de part les valeurs constantes de rayon des couches d'électrons (dues aux niveaux d'énergies je crois...). Je voudrais savoir quand l'électron "saute" pour se rapprocher du noyau : lorsqu'il capte ou émet un photon ? (j'opterai pour la seconde proposition puisqu'il augmente son énergie cinétique...). De plus j'aimerais savoir si un électron, étant sur la couche la plus proche du noyau atomique (couche K), peut entrer en collision avec le noyau lorsqu'il perd de l'énergie ?

Merci pour vos réponses, ainsi que pour tous renseignements complémentaires sur la physique quantique (restant tout de mêm compréhensible pour mon niveau ! )

Paul.

[DonPanic]

Slu

Je voudrais savoir quand l'électron "saute" pour se rapprocher du noyau : lorsqu'il capte ou émet un photon ? (j'opterai pour la seconde proposition puisqu'il augmente son énergie cinétique...). De plus j'aimerais savoir si un électron, étant sur la couche la plus proche du noyau atomique (couche K), peut entrer en collision avec le noyau lorsqu'il perd de l'énergie ?

Tout ça ce n'est rien que des MODELES pour tenter donner une représentation graphique à squi se passe.

Orbitron
http://educweb.univ-perp.fr/pedagogi...sorbitales.htm

[Gaétan]

Nous avons vu que l'atome n'était pas comparable à un système solaire miniature de part les valeurs constantes de rayon des couches d'électrons.

Pour être plus précis, il faut parler de constance du rayon moyen des orbitales. La physique quantique nous donne une fonction, appellée fonction d'onde, qui est une densité de probabilité. Il existe une fonction d'onde pour les différentes énergies possibles. On parle de fonctions propres et de valeurs propres associées. A partir d'elles, on peut déterminer la probabilité de présence de l'électron dans une région de l'espace. La probabilité de présence est la plus grande autour du rayon moyen.

Je voudrais savoir quand l'électron "saute" pour se rapprocher du noyau : lorsqu'il capte ou émet un photon ?

Il existe trois types de transitions électromagnétiques. Il y a l'émission spontanée. L'atome passe spontanément d'un état excité d'énergie Ej vers un état de plus basse énergie Ei par émission d'un photon d'énergie quasiment égale à Ej-Ei. Il y a l'absorption. C'est l'inverse de l'émission spontanée. Un photon d'énergie Ej-Ei est absorbé par un atome dans un état Ei. Cet atome passe ainsi dans un état d'énergie Ej. Absorption et émission obéissent aux même règles de sélection que j'ai oblié comment ça marche.
Mais il existe un autre type de transition. Un photon d'énergie Ej-Ei peut interagir avec un atome dans un état excité Ej et ainsi induire l'émission d'un second photon d'énergie Ej-Ei. C'est l'émission induite.

De plus j'aimerais savoir si un électron, étant sur la couche la plus proche du noyau atomique (couche K), peut entrer en collision avec le noyau lorsqu'il perd de l'énergie ?

La fonction d'onde de l'état quantique permet de déterminer la probabilité de présence de l'électron dans le noyau. Cette probabilité n'est pas nulle. Mais l'électron doit obéir aux relations d'incertitude de Heisenberg. Le produit des incertitudes sur la position et la vitesse ne peut être inférieur à une certaine valeur. Ainsi, plus l'électron s'approche du noyau, plus sa position est déterminée et plus sa vitesse est indéterminée.

Merci pour vos réponses, ainsi que pour tous renseignements complémentaires sur la physique quantique (restant tout de mêm compréhensible pour mon niveau ! )

Paul.

Ben, j'espère que c'est pas trop compliqué ce que j'ai dit .
http://www.webastro.net/forum/viewto...t=1183&start=0

[pepinou]

Vu que je ne suis pas beaucoup plus avancé que toi, je devrais réussir à te répondre simplement (après, c'est une autre histoire que ce soit juste...)

(dans la suite, je ne parlerai pas d'orbite, et très peu de couches, mais de niveaux d'énergie. Pour faire simple, bien que je risque de me faire massacrer, en faisant un parallele avec le systeme solaire, tu peux considérer que chaque orbite correspond à une énergie particulière, et plus l'orbite est éloignée du Soleil plus l'énergie est grande. N'oublie cependant pas que les électrons ne sont pas des petites planètes et que tout cela n'a absolument rien à voir !!)

Alors en fait on dit plutôt que l'électron saute lorsqu'il s'éloigne du noyau, ce qui lui est possible lorsqu'il capte un photon. Inversement, il retombe sur une couche inférieure (plus proche du noyau) lorsqu'il émet un photon.

Il faut savoir que dans un atome, les niveaux d'énergie ont des valeurs discrètes, c'est-à-dire pas continues. Un électron ne peut pas prendre toutes les valeurs d'énergies possibles, seules quelques valeurs précises qui dépendent de l'atome. Lorsqu'un électron capte un photon dont l'énergie est EXACTEMENT égale à la différence d'énergie entre cet électron et la couche supérieure (plus on s'éloigne du noyau, plus les couches correspondent à des niveaux d'énergie importants), cet électron capte le photon en question et saute sur un niveau d'énergie supérieur, il est alors dans son état excité. Cet état n'est pas stable (sauf erreur de ma part), et l'électron va spontanément redescendre sur son niveau d'énergie originel en réémettant le même photon, ayant une énergie correspondant toujours exactement à la différence d'énergie entre les 2 niveaux (un "saut" d'électron s'appelle une transition électronique).

Pour ta deuxième question, il est impossible (toujours sauf erreur de ma part) que l'électron entre en collision avec le noyau. D'abord parceque l'électron ne peut prendre que des valeurs d'énergie particulières, et ensuite il ne faut pas oublier la forte répulsion entre protons du noyau chargés positivement et électrons chargés négativement. Si un électron venait à entrer en collision avec le noyau, il me semble que l'életron et le proton se réunirait pour former un neutron (enfin c'est plus complique je crois), et l'atome ne serait plus le même, vu qu'il n'y aurait plus le même nombre de protons. On aurait alors un isotope de l'aotme contenant 1 proton de moins.
Ceci est tout de même possible dans des conditions extrèmes, c'est à dire dans des étoiles en train de mourrir. Lorsqu'elles sont suffisemment denses, elles s'effondrent sur elles-mêmes en compressant leurs atomes, électrons et protons se collent et on a une étoile à neutrons !! Mais ce n'est bien sur pas spontané.

J'en profite pour poser une petite question aux profs s'il y en a, pourquoi enseigne-t-on les niveaux K, L, M, ... plutot que 1, 2, 3, .. ? j'ai dejà essaye de faire le rapprochement, et elles coïncident parfaitement, K -> orbitales s, L -> s et p, ... donc pourquoi ??

[pepinou]

Bon j'avais pas vu les autres réponses, donc ne croyez pas que j'ai tenté de fournir de meilleures explication que les vôtres !

[Coincoin]

la forte répulsion entre protons du noyau chargés positivement et électrons chargés négativement

Depuis quand des charges opposées se repoussent-elles ? En fait, la répulsion entre l'électron et le noyau à très courte distance provient comme l'a dit Gaétan des inégalités de Heisenberg: plus on connaît précisément la position, moins on connaît la quantité de mouvement. Donc à courte distance, on connaît tellement bien la position que la quantité de mouvement devrait prendre des valeurs gigantesques, donc l'énergie augmente à proximité du noyau.
Toutefois, une autre particularité de la physique quantique est l'effet tunnel: en physique classique, pour franchir une barrière de potentiel, il faut obligatoirement passer au-dessus, mais en physique quantique il y a une certaine probabilité de la traverser. Ainsi la probabilité que l'électron "s'écrase" sur le noyau n'est pas nulle (mais très faible car la barrière de potentiel est très élevée). Il s'agit d'un type de radioactivité, où un électron plus un proton donne un neutron et émet un neutrino.

[Paul_UTT]

il ne faut pas oublier la forte répulsion entre protons du noyau chargés positivement et électrons chargés négativement

Tu ne voulais pas plutôt dire attraction ? :?

En tout cas merci pour vos explications assez compréhensibles, je vois qu'il y a des connaisseurs sur ce forum !

K -> orbitales s, L -> s et p,

A ce propos j'ai déjà observé des tableaux périodiques notifiant la répartition électronique avec ces lettres s,l,p... puis des exposants : comment fonctionne cette notation ?

L'atome passe spontanément d'un état excité d'énergie Ej vers un état de plus basse énergie Ei par émission d'un photon d'énergie quasiment égale à Ej-Ei.

Pourquoi quasiment ? A quoi est due cette différence ?

Donc si j'ai bien compris vos explications, sur l'aspect spectroscopique on observe des raies d'émissions lorsque des électrons émettent des photons d'énergie égale à la différence Ej-Ei entre deux niveaux énergétiques, et les électrons effectuent une transition sur la couche inférieure quand ils se désexcitent, nécéssitant moins d'énergie.
Cependant comment se fait-il qu'il faille une énergie plus importante pour se placer sur une couche électronique supérieure (plus précisément dans la moyenne de probabilité de présence, si j'ai compris les explications de Gaétan) : est-ce la valeur de l'interaction forte qui est bien plus grande (entrainant une sorte d'énergie potentielle comme pour les ressorts ?) que l'énergie cinétique contenue par l'électron ?

Désolé de ne pas être très clair dans mes questions mais je découvre un peu ce domaine qui à l'air vraiment intéréssant !

[Paul_UTT]

Ah oui désolé Coincoin je n'avais pas vu t'as réponse entre temps ! Ca me rassure, je commençais à douter...

[pepinou]

oooooooooooooooooooooooooooooo oops............
honte sur moi...............
bien sur c'est Heinsenberg............. Bon on va dire que c'est parceque je venais de me lever.... et parceque c'est le week end...... et parceque c'est bientot les partiels.... et parceque.... euh... mais euh c'est pas de ma faute ! !
Bon d'accord je m'en vais....

[Coincoin]

Si Gaétan pouvait nous expliquer ce qu'il ya derrière son "quasiment" parce que moi je ne vois pas...

Pour ce qui est de la construction de la classification périodique, il faut faire appel aux sous-couches électroniques: chaque couche électronique est repérée par un entier strictement positif n (nombre quantique principal) (1 correspondant apparemment à K, 2 à L, etc... mais je ne connaissais pas cette notation), et est divisée en sous-couches repérée par un entier l (nombre quantique azimutal) compris entre 0 et n-1, elle-même divisées en orbitales reperée par un entier m_l (nombre quantique magnétique) compris entre -l et +l...Et enfin, il y a un dernier nombre: le spin s, qui pour un électron vaut -1/2 ou +1/2.
Il y a un principe, dit principe d'exclusion de Pauli, qui dit que dans un même atome, 2 électrons doivent différer par au moins un des 4 chiffres...
Pour mieux repérer les sous-couches, on leur donne une lettre: l=0 correspond à s (pour sharp), l=1 à p (principal), l=2 à d (diffuse) et l=3 à f (fondamental) (on ne s'interessera pas à l>3 qui ne correspond jamais à l'état non-excité d'un électron).
Récapitulons donc les sous-couches possibles:

• n=1: on a forcément l=0 et m_l=0, donc on a une seule orbitale 1s dans laquelle on peut mettre 2 électrons (s=-1/2 et s=+1/2).
• n=2:
  • 1ère possibilité: l=0, on a une orbitale 2s (et une seule car m_l vaut forcément 0), dans laquelle on peut mettre 2 électrons.
  • 2e possibilité: l=1, on a 3 orbitales 2p (car m_l peut valoir -1, 0 ou +1) avec 2 électrons chacune
• n=3: je passe un peu plus vite mais tu pourras vérifier qu'on a une orbitale 3s, 3 orbitales 3p et 5 orbitales 3d
• ...

Maintenant, il faut savoir dans quelles ordres on remplit les orbitales (c'est-à-dire les énergies respectives de chacune). Pour ça, il y a la règle de Klechkovski: on remplit par n+l croissant, et pour une même valeur de n+l par n croissant... Classons donc nos orbitales:

• n+l=1: la seule possibilité est n=1 et l=0, c'est-à-dire l'orbitale 1s
• n+l=2: la seule possibilité est n=2 et l=0 (car si on prend n=1 et l=1, on n'a pas l<n), soit l'orbitale 2s
• n+l=3: 1ère possibilité: n=2 et l=1 (orbitale 2p), 2e possibilité: n=3 et l=0 (orbitale 3s)
• n+l=4: 1ère possibilité: n=3 et l=1 (3p), 2e possibilté: n=4 et l=0 (4s)
• n+l=5: 1ère possibilité: n=3 et l=2 (3d), 2e possibilité: n=4 et l=1 (4p)
• ...

Ce qu'il faut remarquer, c'est qu'on remplit l'orbitale 4s avant la 3d...

Maintenant qu'on a tout, on va pouvoir construire notre classification périodique... (Si t'en as pas une sous les yeux, regarde ici)
On a d'abord le bloc 1s avec H et He (pour la position spéciale de He, voir remarque à la fin), puis on revient à la ligne et on a le bloc 2s avec Li et Be, puis le bloc 2p avec B,C,N,O,F,Ne, ensuite on revient à la ligne et on a le bloc 3s (Na, Mg) puis 3p (Al, Si, P, S, Cl, Ar); puis re-retour à la ligne et bloc 4s (K, Ca), puis on intercale le bloc 3d (Sc à Zn) puis on a le bloc 4p (Ga à Kr), puis sur la ligne suivante on a les blocs 5s, 4d puis 5p, etc...
Arrivé à la ligne 6, on a le bloc 6s, puis on a le bloc 4f qui doit s'intercaler avant le bloc 5d... Plutôt que d'écarter les blocs comme on avait fait aux premières lignes pour garder la place pour les blocs d, on préfére écrire le bloc 4f en dessous (série des lanthanides). De même, le bloc 5f correspond à la série des actinides...
Ecrit comme ça, la classification périodique présente l'énorme avantage de permettre de retrouver les mêmes propriétés chimiques dans une même colonne, car tous les éléments d'une même colonne ont le même nombre d'électrons de valence (on préfère d'ailleur mettre He en haut à droite plutôt qu'à côté de H, car il a une couche de valence pleine qui fait qu'il est chimiquement plus proche des éléments de la dernière colonne (gaz rares) que des éléments de la deuxième colonne).

Je crois que je n'ai jamais écrit un message aussi long...

[mach3]

Salut Paul_UTT,

petite explication concernant les notations avec les "lettres s,l,p... puis des exposants"

il s'agit de la configuration electronique de l'atome : elle prend en compte le niveau (1, 2, 3...) la sous couche (s, p, d, f...) et l'exposant donne le nombre d'electron.

par exemple

Li 1s² 2s1 : 2 electrons dans la sous couche s du niveau 1, un electron dans la sous couche s du niveau 2

C 1s² 2s² 2p² : 2 electrons en sous-couche s de niveau 1, 1 en sous-couche s de niveau 2, 2 en sous-couche p de niveau 2

ont resume souvent les premiers termes a la configuration du gaz rare qui precede, donc comme on a He 1s², on ecrit Li [He]2s1 et C [He]2s²2p²

autre exemple, l'osmium Os [Xe]4f^14 5d^6 6s²

voila

[Paul_UTT]

Je crois que je n'ai jamais écrit un message aussi long...

On voit que tu es passionné Coicoin ! Et tu me donnes envie d'en apprendre plus là ! D'ailleurs c'est fou tout ce que l'on apprend sur ce forum !
Bon j'avoue je n'ai pas tout compris à tes explications, trop d'informations nouvelles à digérer d'un coup...
Mais c'est vrai que la classification est bien mieux si les éléments sont rangés par propriétés chimiques.

Combien d'électrons peut contenir une orbitale et une sous-orbitale ? 2 pour la s d'après tes exemples ?

Ce qu'il faut remarquer, c'est qu'on remplit l'orbitale 4s avant la 3d...

Alors quand est-ce que l'orbitale 3d se remplit ? Et pour en revenir à la spectroscopie ainsi qu'aux diifférentes énergies, ma proposition est-elle exacte dans le post #7 ?


Merci Mach3 ! Je commence à comprendre le principe de répartition !

[Paul_UTT]

Désolé si je vous embête avec toutes mes questions

J'en ai encore quelques unes

• Dans ton message, Coincoin, tu évoques le spin, or "to spin" signifie "faire tourner". Un rapport avec la vitesse de rotation de l'électron autour du noyau atomique ?
• Pour mach3, dans ton exemple de l'osmium je comprends l'abréviation par le Xénon pour les premières couches mais pourquoi commence-t-on à remplir le quatrième niveau énergétique par une sous-orbitale f au lieu de s ?

Merci encore une fois à vous !

[Coincoin]

J'avoue que j'ai essayé de faire dense et exhaustif, donc t'as le droit de ne pas comprendre...

Combien d'électrons peut contenir une orbitale et une sous-orbitale ? 2 pour la s d'après tes exemples ?

Déjà, il n'y a pas de sous-orbitales Une couche est divisée en sous-couches qui sont divisées en orbitales... Par exemple la couche n°2 est divisée en 2 sous-couches: 2s et 2p; et la sous-couche 2p est divisée en 3 orbitales (notée 2p_x, 2p_y et 2p_z, mais ça c'est autre chose)
Chaque orbitale peut contenir 2 électrons, chaque sous-couche peut contenir 2l+1 orbitales (ce qui correspond à m_l variant de -l à l) avec l compris entre 0 et n-1 correspondant à s, p, d ou f (pour un n donné, il y a donc 1 orbitale s, 3 orbitales p, 5 orbitales d et 7 orbitales f (les orbitales p, d ou f n'existent pas si n est trop petit)).
L'ordre des sous-couches est: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, etc...

Pour ce qui est des différentes énergies, plus le niveau est "loin", plus son énergie est élevée... Donc pour passer d'un niveau bas à un niveau excité, il faut absorber un photon d'énergie égale à la différence d'énergie entre les 2 niveaux; et pour passer d'un niveau excité à un niveau inférieur, l'électron émet un photon de même énergie (je ne vois pas d'où vient la différence dont Gaétan parle). Dans le cas de l'atome d'hydrogène (qui possède un seul électron ce qui simplifie énormément de choses), l'énergie d'un niveau est donnée par E=-E₀/n² (avec n le nombre quantique principal et E₀=13.6 eV). Mais dans le cas d'atomes ayant plusieurs électrons, il n'y a pas de formules toutes faites et l'énergie dépend aussi de l...

[Coincoin]

pourquoi commence-t-on à remplir le quatrième niveau énergétique par une sous-orbitale f au lieu de s ?

En effet, pour être rigoureux, il faudrait écrire: [Xe] 6s² 4f¹⁴ 5d⁶ où [Xe] correspond à la configuration électronique du xénon qui contient déjà 4s² (c'est un peu long à écrire). Par exemple, Na a pour configuration 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ qu'il est plus rapide d'écrire [Ne] 3s¹

Pour ce qui est du spin, c'est assez difficile à concevoir (et donc à expliquer). "To spin" signifie exactement "tourner sur soi-même". De même qu'un objet en rotation sur lui-même posséde un moment cinétique (un peu l'équivalent de la quantité de mouvement pour la rotation), un électron possède un moment cinètique intrinsèque (intrinsèque signifiant ici que c'est une propriété propre à l'électron comme sa masse ou sa charge). L'image qu'on pourrait en donner est donc que l'électron tourne sur lui-même... Le petit problème c'est que si on fait un calcul de la vitesse de rotation correspondante, on trouve que cette vitesse est supérieure à celle de la lumière, ce qui est impossible... L'image donnée est donc fausse. Le problème pour donner une représentation de ce qu'est le spin, c'est qu'il n'existe pas d'équivalent dans notre monde macroscopique (et oui, la physique quantique c'est dur à imaginer). Donc il faut juste retenir que c'est une propriété intrinsèque de toute particule...