Comportement quantique des molécules de gaz.

[sunyata]

Bonjour,

Supposons que j'isole une molécule CH4 par exemple dans une boite vide. Sachant qu'il s'agit de plusieurs atomes liés.
Les propriétés de la physique quantique s'appliquent-elles à cette molécule ?
Tant qu'elle n'entre pas en contact avec les parois, doit-on considérer que la molécule a un comportement ondulatoire ?
Pas de localisation déterminée ? Un paquet d'onde qui prend tout le volume de la boite ? Ou bien faut-il considérer la molécule comme une particule bien localisée ?

Cordialement
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[phys4]

Bonjour,

Vous remarquerez d'abord que chaque fois que la molécule rentre en contact avec une paroi de la boite, sa position est déterminée, entre deux chocs elle se comporte comme une onde qui remplit une partie de la boite.
C'est une règle générale de la MQ : toute particule est localisée lors de son interaction et se comporte comme une onde entre son point de départ et son point d'arrivée.

[mach3]

Une molécule seule dans une boite pourra avoir un comportement typique de l'électron dans une boite de potentiel. On aura différents niveaux d'énergie discontinus correspondant à chaque harmonique de l'onde dans la boite.
La difficulté sera au niveau de la description du potentiel au voisinage des parois, on aura surement un profil à la Lennard-Jones, ce qui fait que dans les niveaux d'énergie les plus bas, la molécule sera piégée par la paroi (densité de proba quasi-nulle dans le volume de la boite, très élevée dans les premiers angtroms proches de la paroi), ce qui ramène le problème à un électron dans un potentiel harmonique en assez bonne approximation : cela correspond au phénomène d’adsorption des molécules de gaz par les surfaces (phénomène dépendant de la température).
Il faut donc que l'énergie soit suffisante pour que le comportement type électron dans une boite de potentiel soit une bonne approximation.

Si vous voulez considérer plusieurs molécules, je vous dis pas l’horreur par contre (c'est comme atome polyélectronique vs hydrogénoïde)... surtout que si l'énergie n'est pas assez élevée, ce n'est pas un gaz, mais un solide ou un liquide qu'il faut considérer.
Dans le cas d'un gaz contenant de nombreuses molécules, considérer chaque molécule comme une particule plutôt que de considérer leur ensemble comme une onde (et oui, il n'y aura qu'une fonction d'onde pour l'intégralité des molécules présentent... je vous dis pas la tronche de l'onde...) est un modèle effectif qui marche très bien, voir par exemple les succès de la théorie cinétique des gaz et de la thermodynamique statistique construite par Boltzmann qui reproduit exactement la thermodynamique classique. Les interactions entre chaque molécule étant effectivement très fréquentes (libre parcours moyen de l'ordre du nanomètre dans un gaz en conditions ambiante alors que la vitesse moyenne est de la centaine de m/s), et ces interactions étant ponctuelles, cela justifie qu'un modèle particulaire classique marche très bien.

m@ch3

[sunyata]

Bonjour,

Merci pour ces réponses éclairantes. Si on prend le cas d'un molécule de gaz isolée, c'est le niveau d'excitation des couches électroniques je suppose qui permet de déterminer si la molécule est dans un état gazeux ou dans un état liquide. ( En l'absence d'une dynamique collective ).

Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[mach3]

Si on prend le cas d'un molécule de gaz isolée, c'est le niveau d'excitation des couches électroniques je suppose qui permet de déterminer si la molécule est dans un état gazeux ou dans un état liquide

l'état liquide ou solide n'a aucun sens pour une molécule unique : ces états sont des comportements collectifs. Une molécule unique est soit libre soit adsorbée. Les couches électroniques n'ont que peu à voir la dedans. La température requise afin d'avoir des proportions significatives de molécules excitées (statistiques de Maxwell-Boltzmann) est généralement bien plus élevé que celle des phénomène de condensation/évaporation : la différence d'énergie entre état adsorbé et état libre est généralement beaucoup plus faible que la différence d'énergie entre état électroniques.

m@ch3

[inviteb21379d3]

La physique quantique vise essentiellement à expliquer les particules atomiques et de ses interactions avec les champs électromagnétiques, ainsi avec d'autres forces. Une fois que vous vous traitez cet atome comme un objet unique sur le vide, sur ce cas, vous pouvez simplifier l'analyse, appliquant les propriétés de la physique classique de la matière.

Cependant, à l'instant que cette molécule entre en collision avec la boîte, même en ayant aucune réaction chimie, une telle interaction se produire des émissions, donc maintenant, vous aurez besoin d'appliquer les mécanique quantique.