Nucléons et électrons / Pourquoi n'y a-t'il pas effondrement

[invitee033fdb1]

Bonjour,

Pourquoi les électrons (-) ne s'effondrent-ils pas sur le noyau atomique (+), les 2 charges étant opposées?

Merci à l'avance de prendre de votre temps!
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[doryphore]

En première approximation, on peut dire que c'est pour la même raison que celle qui fait que la Lune ne tombe pas sur la Terre alors que la Terre l'attire vers elle. Modèle de Bohr...
Mais ce serait nier la nature quantique de l'électron autour de l'atome.
En fait pour un atome isolé l'électron est en moyenne au centre de l'atome, mais occupe tout un nuage électronique autour de celui-ci (une orbitale électronique).
Celà dit, je ne suis pas absolument sûr de ce que j'avance.

[deep_turtle]

D'accord avec toi Doryphore pour la première partie de ta réponse, dans le modèle de BOhr c'est la force centrifuge qui compense l'attraction des deux charges et qui maintient l'orbite.

Les physicien ont eu rapidement des problèmes avec cette vision, cependant, car une charge qui est accélérée (comme par exemple si elle tourne) émet du rayonnement et perd ainsi de l'énergie, et l'orbite se resserre. Quand on fait les calculs, on s'aperçoit que ce phénomène est si important qu'un électron devrait spiraler et s'écraser sur le noyau en une fraction de seconde...

La solution à ce problème est venu de la mécanique quantique, comme le rappelle Doryphore, et on sait maintenant que le modèle orbital de l'atome est complètement inadéquat...

[invitee033fdb1]

Merci bien de m'avoir répondu,

Néanmoins, je ne comprends pas vraiment plus!

Si vous avez d'autres éléments de réponse, je serai ravi de les lire.

Merci à l'avance

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitebb921944]

Je sais simplement que :
Les électrons ont tendance à s'effondrer sur le noyau (mais je ne crois pas que ce soit du à leur charge).
Si on éclaire un atome, il se peut, si la fréquence du rayonnement lumineux est bonne et que l'atome le permet que des électrons "captent" l'énergie d'un photon et passe dans un état excité (il faut que l'énergie captée corresponde exactement à un niveau d'energie de l'atome).
Alors après, que l'électron capte ou non ces photons, sa charge reste négative.
Donc je me pose des questions : l'électron tombe t'il sur le noyau à cause de sa charge ? Si oui, pourquoi y a t'il une certaine probabilité qu'il ne tombe pas (parce qu'il me semble qu'il ne tombe pas toujours après x secondes par exemple) ?
Si la charge négative (de l'électron) attire l'électron vers le noyau, comment cet électron peut s'échapper de cette attraction en captant l'énergie d'un photon ? Est-ce parce que cette énergie est plus forte que l'attraction électrique ?

[invitea3fc981a]

En fait, cela est dû à une particularité du monde quantique, qu'on a comme souvent bien du mal à accepter ou à se représenter : l'énergie est discontinue. On a tous les jours à faire avec des valeurs qui semblent continues, comme par exemple la vitesse de notre voiture qui accélère progressivement, ou un corps qui tombe vers la Terre, tous ces mouvements semblent continus. Mais dans un noyau atomique l'énergie est discontinue, un peu comme si notre voiture ne pouvait aller que de 10 km/h en 10km/h, ou qu'un corps ne pouvait avoir que des altitudes qui soient des multiples entiers du mètre.

Les électrons ne peuvent pas être disposés n'importe où autour du noyau. Comme un objet qui a une certaine altitude, les électrons ont une "énergie potentielle" en fonction de leur éloignement au noyau. C'est cette énergie qui est discontinue. Chose qui peut paraître étrange, cette énergie ne peut pas être nulle : l'état de plus basse énergie des électrons n'est pas zéro. C'est un peu comme si un objet ne pouvait pas tomber sur Terre, comme si son énergie minimale correspondait à une altitude en-dessous de laquelle il ne peut pas aller. C'est là la principale cause du non-effondrement des noyaux atomiques.


Les niveaux d'énergie supérieurs E₁, E₂ etc. ne sont pas non plus continus, pour passer à un état d'énergie supérieur (ou excité), l'électron doit acquérir de l'énergie, exactement la différence d'énergie qui existe entre les deux niveaux (E₂-E₁) par exemple. Si l'électron "capte" un photon d'énergie inférieure, alors il n'a pas assez d'énergie pour changer de niveau et reste là où il est.


J'espère que mes explications sont assez claires

[invitebb921944]

Ben çà j'avais compris (mais t'as bien expliqué quand même hein ) mais tu n'expliques pas le rôle que joue la charge négative des électrons.

[doryphore]

Les électrons ont tendance à s'effondrer sur le noyau (mais je ne crois pas que ce soit du à leur charge).

Je crois que c'est la force électromagnétique qui confine les électrons autour de leur noyau donc c'est bien de leur charge électrique qu'il s'agit. Tu ne verras jamais un neutrino tourner autour d'un noyau atomique par exemple.

[invitebb921944]

Donc quand un électron capte l'énergie d'un photon, cette énergie est plus forte que l'interaction électromagnétique et lui permet de s'éloigner du niveau fondamental ?

[doryphore]

Si on raisonne en terme classique du modèle de Bohr, on peut dire que l'énergie du photon est transformée en énergie potentielle pour l'électron, donc celui s'éloigne du noyau.
Je ne me lancerai pas en revanche dans l'interprétation quantique sans quelques réserves mais je pense que cela doit vouloir dire que la distance moyenne entre le noyau et l'électron augmente.

[invitebb921944]

Ah voilà, je vais faire un parallèle.
Supposons que la Terre soit un objet de charge positive et que toi, être humain, tu ais une charge négative. Si on fait le parallèle avec l'atome et les électrons, on peut dire :
la gravitation qui fait que l'être humain tombe constamment sur la Terre, c'est l'interaction électromagnétique qui fait que l'électron tombe sur le noyau (au niveau fondamental).
Bon maintenant, supposons qu'Obélix donne un coup de poing à un être humain, cet être humain acquiert une vitesse qui va le soulever du sol. Le photon qui est le petit frère d'Obélix donne un coup de poing à l'électron qui va ainsi passer à un niveau d'énergie supérieur (sauf que le photon doit lui donner un coup de poing très précis parce que l'électron ne peut aller qu'à certains niveaux d'énergie).
Ok Jusque là c'est bon ?

Donc le coup de poing d'Obélix a donné un mouvement à l'être humain, ce qui veut dire qu'il a été plus "fort" que l'interaction gravitationnelle.

Le coup de poing du photon a déplacé l'électron sur un niveau d'énergie supérieur, ce qui veut dire que l'énergie concédée par le photon à l'électron a été plus forte que l'interaction électromagnétique.

C'est juste ?

[doryphore]

Je préfère laisser répondre un physicien car je risque de me mélanger entre les impulsions, les équilibres énergétiques, les forces les énergies cinétiques et potentielles, etc...

[invitea3fc981a]

Il faut rappeler que le boson vecteur de la force électromagnétique est le photon... C'est par un échange de photons virtuels que les électrons restent liés au noyau. Le parallèle avec la gravitation a ses limites, et il ne faut pas l'utiliser ici...

Les électrons émettent en permanence des photons "virtuels", c'est-à-dire des photons dont l'énergie semble venir de nulle part. Pour prendre un raccourci audacieux, on peut dire que l'électron "emprunte de l'énergie au vide" pour émettre un photon virtuel ; plus il emprunte de l'énergie, plus la durée de vie du photon est courte, en vertu de l'inégalité de Heisenberg deltaE.deltat > hbarre/2. Au-delà de cette durée de vie l'énergie empruntée est restituée au vide, de façon que l'énergie est toujours conservée. Proche du noyau, le photon n'a pas besoin de beaucoup d'énergie pour parcourir une si petite distance, donc il est peu énergétique. Comme de son côté le noyau émet lui aussi des photons virtuels, le bilan énergétique est bien toujours nul.

Pour ce qui est du photon - réel cette fois ci - qui arrive sur l'électron et le fait changer de niveau d'énergie, c'est exactement comme Asterix et Obelix. Sauf que ce photon utilise précisément l'interaction électromagnétique pour exciter l'électron, donc on ne peut pas vraiment dire qu'il a été "plus fort" que l'interaction électromagnétique... Il a juste été plus fort que la liaison avec le noyau

[DonPanic]

Slu
J'ai eu une discussion polémique à propos de dilatation des gaz, mon interlocuteur disant que la dilatation était le seul fait de l'agitation moléculaire, alors que je soutenais qu'en plus les molécules chauffées occupaient "individuellement" plus d'espace, avais-je tout faux ?

[invite070c425f]

Il me semble que les deux formulations sont équivalentes, non ? A condition bien sûr que le volume total du système ne soit pas fixe.

[invitea3fc981a]

Non les deux formulations ne sont pas équivalentes, et en fait les deux phénomènes entrent en jeu

En gagnant de l'énergie thermique, les molécules voient leur cortège électronique plus "excité", en gros le nuage électronique est plus dilaté, la molécule est plus volumineuse. Comme les électrons se repoussent entre eux, les nuages électroniques aussi, donc les molécules aussi...

Mais l'énergie thermique sert également à l'agitation des molécules en elles-mêmes, elles oscillent plus autour de leur position moyenne, et tournent sur elles-mêmes plus vite. Au final, ces deux phénomènes font que les molécules ont globalement plus tendance à s'écarter les unes des autres quand on en augmente la température. Cela dit pour la plupart des gaz la dilatation est négligeable, les molécules étant par définition déjà très éloignées les unes des autres

[DonPanic]

Merci de ta réponse, je supposais que soit "le volume" d'une molécule augmentait avec la chaleur, soit que les électrons "dopés" voyaient augmenter la portée de leur répulsion électromagnétique, ce qui pour moi était à peu près équivalent.

[invite070c425f]

Oui, merci pour ces détails.
J'ignorais le phénomène que tu décris dans ton § 1.
Amitiés.
Félix

[deep_turtle]

En gagnant de l'énergie thermique, les molécules voient leur cortège électronique plus "excité", en gros le nuage électronique est plus dilaté, la molécule est plus volumineuse. Comme les électrons se repoussent entre eux, les nuages électroniques aussi, donc les molécules aussi...

C'est vrai dans le principe, mais il faut quand même dire aussi que pour exciter le cortège électronique d'un atome, il faut fournir une énergie de l'ordre de l'electron-Volt. Aux températures ordinaires (correspondant à une énergie moyenne de l'ordre de 0.025 electron-Volt), ce phénomène est négligeable...

[invite11f2a3ff]

Cela dit pour la plupart des gaz la dilatation est négligeable, les molécules étant par définition déjà très éloignées les unes des autres

Je ne comprends pas ce point là. Puisque pV=nRT, le vol augmente propotionnellemet à la température non ? Que n'ai-je pas compris ?
Désolé de relancer une discussion qui date d'il y a un an je n'en voudrai à personne si on ne me répond pas.

Salut

[invite8ef897e4]

On peut repondre simplement que pV = nRT est une loi valable pour les gaz parfaits, ou ideaux. Pour les gaz dits reels, l'equation de van der Walls :

permet de prendre en compte le volume reel occupe par les molecules ainsi que les forces d'interactions. Puisqu'elle modifient respectivement le volume effectif et la pression effective, ces contraintes sont indroduites empiriquement, et a ce stade cette equation d'etat n'est qu'un modele. C'est a l'experience de confirmer que cette equation decrit effectivement de nombreux gaz sous des conditions "ordinaires" de temperature et de pression. C'est au minimum une parametrisation de la "deviation" par rapport au gaz parfait, et il se trouve que celle-ci est tres efficace. En fait, elle est tellement efficace, qu'elle permet aussi de decrire les liquides !

Dans la ligne d'explication de Konrad, la dilatation provient de deux effets lorsque la temperature augmente : un terme de volume, due au "gonflement" du nuage orbital, et un terme d'interaction effective, due a l'agitation des molecules. Si cette agitation augmente, les molcules ont plus de chances de se rencontrer : dans un volume fini, elles parcourent plus de distance par unite de temps. Mais cela suppose un volume fini. Si le gaz est dilate dans un tres grand volume, le terme de pression va naturellement devenir nul : cela ne fait plus aucun sens de definir une pression comme resultante de nombreux chocs si les chocs sont quasi-improbables Habituellement, la pression induit un mouvement sur les molecules de type brownien.


Dans ce genre de mouvement, le longues trajectoires sont fortement suprimees. En revanche, les chocs agissent un par un, et largement separes dans le temps lorsque le volume tend vers l'infinie, de sorte qu'une telle representation de la pression comme agissant "en moyenne dans toutes les directions aleatoirement" n'est plus rigoureusement justifiee. Elle ne peut plus etre justifiee que pour des temps tres long. Comme Feynman le dit

l'equilibre thermodynamique, c'est lorsque toutes les choses rapides se sont passees, mais que les choses lentes n'ont pas encore commence

Il est vrai qu'a attendre tres tres tres longtemps, le diamant devient du graphyte

[Floris]

Bonjour, une question que je me pose, comment as t'on réussit à quantifier le champ électromagnetique?
Merci encore.
Flo

[Gwyddon]

Historiquement, c'est lors de l'étude du rayonnement du corps noit que la quantification du champ électromagnétique apparaît pour la première fois. En effet, si l'on effectue un calcul classique avec une énergie continue, il apparaît ce que l'on nomme "la catastrophe ultraviolette" : en gros l'énergie rayonnée apparaît infinie.

Plank a donc l'idée géniale de résoudre le problème en quantifiant le problème : l'énergie est discontinue, et émise par "grains" discrets d'énergie .

Puis en 1905, Einstein nomme précisément ce grain d'énergie "photon", et s'en sert pour expliquer l'effet photoélectrique : lorsque un rayonnement électromagnétique percute un métal, suivant la longueur d'onde du rayonnement incident un électron est arraché du métal ou non. Seule une interprétation corpusculaire avec le concept de photon permet d'expliquer ce phénomène de façon satisfaisante.

Ensuite dans les années 1920, la mécanique quantique prend son essor, et dans les années qui suivent se développe ce que l'on appelle la théorie quantique des champs, qui est (en gros) la mécanique quantique relativiste et dont l'une des branches et l'électrodynamique quantique (QED) qui décrit de façon remarquable l'interaction électromagnétique (mais là ça devient compliqué).

Julien

[invite5a5fa251]

Proche du noyau, le photon n'a pas besoin de beaucoup d'énergie pour parcourir une si petite distance, donc il est peu énergétique.

quoi ? l'énergie du photon virtuel diminue en se déplacant???
stp une petite explication serait la bienvenue.

[Chip]

Puis en 1905, Einstein nomme précisément ce grain d'énergie "photon"

Non, le terme 'photon' a été introduit par Lewis en 1926. http://physicsweb.org/articles/world/18/4/2/1

et s'en sert pour expliquer l'effet photoélectrique : lorsque un rayonnement électromagnétique percute un métal, suivant la longueur d'onde du rayonnement incident un électron est arraché du métal ou non. Seule une interprétation corpusculaire avec le concept de photon permet d'expliquer ce phénomène de façon satisfaisante.

Non, on peut expliquer l'effet photoélectrique dans un cadre semi-classique, sans quantification du champ électromagnétique (= sans photon). http://forums.futura-sciences.com/thread23933.html

[Gwyddon]

Merci Chip pour la correction à propos du terme de "photon".

Par contre, pour ce qui est de l'effet photoélectrique, je ne suis qu'à moitié d'accord avec ce que tu dis au vu de l'article de l'ENS que tu cites ( http://www.physique.ens-cachan.fr/pa...electrique.pdf ), puisque le modèle "sans quantification" requiert de la méca quantique, il vient après (historiquement) et on ne peut pas vraiment le qualifier de modèle semi-classique...

[Chip]

Si si, on appelle bien cela un modèle semi-classique car l'atome est quantifié mais le champ électromagnétique ne l'est pas. Le fait que l'on peut rendre compte de l'effet photoélectrique sans quantifier le champ électromagnétique explique pourquoi cet effet n'est plus considéré (depuis longtemps, cf le lien que tu rappelles) comme constituant une preuve de la nature quantique du rayonnement.

[invitea3fc981a]

quoi ? l'énergie du photon virtuel diminue en se déplacant???
stp une petite explication serait la bienvenue.

Heu oui, je me suis un peu craqué sur mon explication là... Ce que je voulais dire, c'est qu'en vertu de l'inégalité de Heisenberg , un photon virtuel de grande énergie ne peut qu'avoir une durée de vie courte ; inversement, un photon virtuel de petite énergie aura une durée de vie plus longue, et donc pourra parcourir une plus grande distance. C'est de là que vient l'interaction électromagnétique à longue portée.

Contrairement à ce que je disais dans mon précédent message, un électron proche du noyau sera fortement lié à ce dernier (photons virtuels très énergétiques) ; cela signifie que l'électron en lui-même ne sera pas très énergétique puisqu'il n'a pas la "force" d'échapper au noyau... J'espère que c'est un peu plus clair dit comme ça.

[invite5a5fa251]

Oui, merci Konrad c'est plus clair.
Je me demande maintenant si sous certaines conditions les photons virtuels peuvent devenir réels moyennant de l'énergie rendue au "vide" disons par exemple par annihilation de particules ou par absorption d'une onde "réelle".

[Gwyddon]

Si si, on appelle bien cela un modèle semi-classique car l'atome est quantifié mais le champ électromagnétique ne l'est pas. Le fait que l'on peut rendre compte de l'effet photoélectrique sans quantifier le champ électromagnétique explique pourquoi cet effet n'est plus considéré (depuis longtemps, cf le lien que tu rappelles) comme constituant une preuve de la nature quantique du rayonnement.

Salut Chip,

Quelle expérience permet alors de rendre compte de la nature quantique du rayonnement électromagnétique ? L'effet Compton ?