Quelle est la forme d'un atome ?

[invite23400e5c]

Bonjour à tous,

Je me pose cette question depuis bien longtemps, mais personne ne m'a encore apporté de réponse claire.
Ma question est de savoir quelle est la forme d'un atome. On a différents "modèles", permettant justement de "modéliser" l'atome, mais ces modèles sont variés et n'ont pas la même forme justement.

Nous disposons pourtant actuellement d'appareils sophistiqués comme les microscopes électroniques : ont-ils permis d'observer directement un atome et donc de déterminer sa forme ?
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[LPFR]

Bonjour.
Je crois que l'on peut dire que la forme de l'atome est celle du dernier "nuage électronique" (le plus externe). Et ce nuage a une symétrie sphérique (on l'appelle orbital S (comme sphérique)).
Les images des microscopes à force atomique ou à effet tunnel donnent aussi cette forme sphérique. Mais, évidemment, on ne voit que les faces externes des atomes dans un solide.
Au revoir.

[mach3]

Le problème est qu'on ne pas vraiment parler de forme pour les atomes. La forme est un aspect qui émerge quand on a empilé un certain nombre d'atome (molécules -et encore pour les plus petites c'est encore flou- ou cristal).

On peut effectivement envisagé une forme sphérique, mais il ne faut pas assimiler cet aspect à celui de petites billes. Un atome c'est majoritairement du vide. Un noyau entouré d'un "nuage" d'électrons 100000 fois plus grand. On appelle cela nuage car les électrons ne sont pas localisés, il y a juste plus de chance de les voir à cet endroit là qu'ailleurs si on prenait une "photo". Du fait du principe d'exclusion de Pauli et de la répulsion coulombienne, on ne peut pas approcher deux atomes au delà d'une certaine distance de noyau à noyau, ce qui fait que les techniques comme le microscope à effet tunnel ou à force atomique montrent un aspect "sphérique". Ces techniques "sentent" le champ électrique des atomes qui a une symétrie à peu près sphérique.

m@ch3

[invitea774bcd7]

Bonjour.
Je crois que l'on peut dire que la forme de l'atome est celle du dernier "nuage électronique" (le plus externe). Et ce nuage a une symétrie sphérique (on l'appelle orbital S (comme sphérique)).

Non. L'orbitale de valence d'un atome n'est pas forcément une orbitale s. Et « s » ne signifie pas sphérique…
s, p, d et f signifie respectivement sharp, principal, diffuse et fundamental

[A voir en vidéo sur Futura]

[invité576543]

Ces techniques "sentent" le champ électrique des atomes qui a une symétrie à peu près sphérique.

Y a-t-il des atomes isolés dont le champ électrique n'est pas de symétrie parfaitement sphérique?

Cordialement,

[mariposa]

Non. L'orbitale de valence d'un atome n'est pas forcément une orbitale s. Et « s » ne signifie pas sphérique…
s, p, d et f signifie respectivement sharp, principal, diffuse et fundamental

Amusant Je connaissais pas. Quelle est la logique de cette appellation?

Et g c'est l'initiale de quoi?

[mariposa]

Y a-t-il des atomes isolés dont le champ électrique n'est pas de symétrie parfaitement sphérique?

Cordialement,

Si on mesurait le champ électrique moyennée dans le temps seuls les les atomes ou ions à couche complète et plus généralement les états labellisés par un moment orbital total L =0 auraient la symétrie sphérique.

[invitea774bcd7]

Et g c'est l'initiale de quoi?

De rien. Ça part en ordre alphabétique après f

[mariposa]

De rien. Ça part en ordre alphabétique après f

je m'en doutais, mais tu sais je suis très timide.

[invitea774bcd7]

Y a-t-il des atomes isolés dont le champ électrique n'est pas de symétrie parfaitement sphérique?

Cordialement,

Tous les atomes isolés sont à symétrie sphérique

[mariposa]

Si on mesurait le champ électrique moyennée dans le temps seuls les les atomes ou ions à couche complète et plus généralement les états labellisés par un moment orbital total L =0 auraient la symétrie sphérique.

En complément. L = 0 n'est pas suffisant. Si on a un atome a couche complète et si je rajoute un électron s unique le moment orbital reste bien nul, mais l'électron unique polarise de spin les couches internes et détruit la symétrie sphérique. Il faut donc que le spin total soit nul.

Donc la symétrie sphérique nécessite :

L= 0 et S= 0

[mariposa]

Tous les atomes isolés sont à symétrie sphérique

.
Hélas non ,pas du tout comme je l'ai expliqué ci-dessus.

[invitea774bcd7]

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Hélas non ,pas du tout comme je l'ai expliqué ci-dessus.

Et pourtant si… Michel a bien mis l'accent sur le mot « isolé »

[mariposa]

Et pourtant si… Michel a bien mis l'accent sur le mot « isolé »

ben non le champ électrique d'un atome isolé n'est pas sphérique en dehors de la condition L= 0 et S= 0.

A moins d'avoir interprété la question de travers. j'ai supposé que l'on mettait une sonde dans l'atome et que je faisais une cartographie spatiale du champ électrique.

Comment comprends- tu la question de Michel?

[invité576543]

Comment comprends- tu la question de Michel?

Cela couvrait plutôt le champs à l'extérieur.

La réponse semble porter plus sur la symétrie de l'atome même.

Au passage, faut aussi le spin du noyau à 0 si le spin électronique total joue. Si la somme des deux spins est nul?

Sinon si on prend S=0 et L différent de 0, pourquoi le champ extérieur est-il nécessairement dissymétrique? La distribution des charges négatives peut rester centrée, non?

Sinon, comment serait orienté le dipôle?

Cordialement,

[mariposa]

Cela couvrait plutôt le champs à l'extérieur.

Ils ont la même propriété à l'intérieur comme à l'extérieur. Les sources du champ sont les électrons (et le noyau). Si la distribution de la densité électronique est sphérique le champ a la distribution sphérique;

La réponse semble porter plus sur la symétrie de l'atome même.

A priori la symétrie de l'atome, c'est celle d'une propriété ce qui renvoie a la question précédente.

Au passage, faut aussi le spin du noyau à 0 si le spin électronique total joue. Si la somme des deux spins est nul?

Excate. En fait il y a un très faible couplage entre le mouvement du noyau et celui des électrons (ce que l'on voit en RMN) et donc rigoureusement la symétrie sphérique n'est pas parfaite.

Sinon si on prend S=0 et L différent de 0, pourquoi le champ extérieur est-il nécessairement dissymétrique? La distribution des charges négatives peut rester centrée, non?

Si L n'est pas également à zéro cela veut dire par exemple que tu as un électron dans une orbitale px (ou py, ou pz) a laquelle correspond une distribution de charges symétrique par rapport à l'axe x (donc non sphérique)

Sinon, comment serait orienté le dipôle?

Cordialement,

Les atomes n'ont pas de moment dipolaire permanent (ce n'est pas le cas des molécules qualifiées de polaires comme H2O). par contre ils sont polarisables cad acquérir un moment dipolaire sous l'action d'un champ électrique.

[invité576543]

Les atomes n'ont pas de moment dipolaire permanent (ce n'est pas le cas des molécules qualifiées de polaires comme H2O). par contre ils sont polarisables cad acquérir un moment dipolaire sous l'action d'un champ électrique.

Polarisable, oui. C'est bien pour cela que j'avais bien précisé "isolé", pour qu'il ne soit pas polarisé

Mais si le champ n'est pas sphérique, c'est qu'il y a au moins un moment permanent non nul, non?

Si ce n'est pas le dipolaire, c'est un autre. Lequel?

Cordialement,

[invitea774bcd7]

Un atome isolé reflète l'isotropie de l'espace. Dans ce sens, il est à symétrie sphérique (pas de direction privilégiée).

Pour reprendre cette citation :

Si L n'est pas également à zéro cela veut dire par exemple que tu as un électron dans une orbitale px (ou py, ou pz) a laquelle correspond une distribution de charges symétrique par rapport à l'axe x (donc non sphérique)

ce fameux « axe x » n'a pas de direction privilégiée avant une quelconque mesure. Tout est isotrope, sphérique…

[mach3]

Mais si le champ n'est pas sphérique, c'est qu'il y a au moins un moment permanent non nul, non?

ben non, pas de moment dipolaire. L'atome a dans ce cas la même symétrie qu'un ellipsoïde de révolution, il n'y a pas deux pôle avec l'un plus chargé que l'autre, plutôt deux pôles plus chargés qu'un équateur.

m@ch3

[invité576543]

Un atome isolé reflète l'isotropie de l'espace. Dans ce sens, il est à symétrie sphérique (pas de direction privilégiée).(...)
ce fameux « axe x » n'a pas de direction privilégiée avant une quelconque mesure. Tout est isotrope, sphérique…

C'est aussi mon interprétation a priori, mais je ne suis pas sûr. Donc je pose des questions

S'il y a une seule orbitale p (e.g. bore), peut-on voir l'état comme un état intriqué homogène (px+py+pz)/sqrt(3) ?

Quid de la conservation du moment cinétique?

Cordialement,

[invité576543]

ben non, pas de moment dipolaire. L'atome a dans ce cas la même symétrie qu'un ellipsoïde de révolution, il n'y a pas deux pôle avec l'un plus chargé que l'autre, plutôt deux pôles plus chargés qu'un équateur.

La symétrie d'une orbitale p prise en module, oui.

Cordialement,

[invitea774bcd7]

J'imagine qu'on peut dire d'un atome dans un état que son électron de valence a 33% de chance d'être dans une orbitale px, etc…
Mais comme le repère (x,y,z) dans lequel on définit ces orbitales n'a pas de direction privilégiée avant une quelconque mesure (je me répète là… ), tout est isotrope…

Tout ça est standard : c'est le passage du référentiel de l'atome à celui du laboratoire. C'est une discussion très répandu entre théoriciens (réf. de l'atome) et expérimentalistes (ref. du labo)

[mariposa]

Tous les atomes isolés sont à symétrie sphérique

.
En MQ les solutions d'un hamiltonien invariant sous un groupe [pour les atomes sera O(3)] possèdent des solutions qui n'ont pas invariante sous le groupe mais seulement sous certains éléments du groupe.

Seules les solutions appartenant à la représentation irréductible triviale possedent la symétrie du groupe.

Appliquées a l'atome et dans une approximation à 1 corps seules les électrons "s" possédent la symétrie O(3). Les électrons p n'ont pas la symétrie O(3) mais seulement la symétrie C infini,v cad la symétrie du cylindre avec l'axe orientée.

[mariposa]

S'il y a une seule orbitale p (e.g. bore), peut-on voir l'état comme un état intriqué homogène (px+py+pz)/sqrt(3) ?

la réponse est oui.

Les 3 orbitales px, py, pz sont dégénérés et donc toute combinaison linéaire est solution.

En pratique on utilise les combinaisons qui sont vecteurs propres du moment cinétique (selon un axe) l=1 avec m= -1, 0 , 1 que l'on note : |l,m>

Commentaire annexe sur le vocabulaire: les états dont tu parles sont des mélanges ordinaires (pas des états intriqués). les états intriqués sont des états appartenant à des espaces produits tensoriels.

[invité576543]

Maintenant que j'y pense, j'avais posé une question similaire dans le temps, et une hybridation genre (px+py+pz)/sqrt(3) a une symétrie cylindrique, elle a la même forme qu'une p quelconque, juste orientée différemment. Toutes les hybridations entre p donnent la même forme...

Faudrait passer à un mélange équiprobable de toutes les p possibles... Est-ce que cela a un sens?

Cordialement,

Edit : Collision en simultané

[invité576543]

Commentaire annexe sur le vocabulaire: les états dont tu parles sont des mélanges ordinaires (pas des états intriqués). les états intriqués sont des états appartenant à des espaces produits tensoriels.

Ah bon? Une orbitale hybride sp_x est un mélange, pas une intrication?

Cordialement,

[GillesH38a]

il me semble que cette discussion illustre parfaitement la difficulté pratique (plus exactement l'impossibilité) de parler d'un état "en soi" en l'absence de toute mesure. Il n'existe pas d'état p de symétrie sphérique, et pourtant un atome isolé dans un état p n'a pas de raison de choisir une direction plutot qu'une autre : c'est analogue au problème du spin d'un électron, tout état de spin correspond à un état +1/2 ou -1/2 sur un axe de l'espace, pourtant un électron n'a pas de raison de choisir un axe plutot qu'un autre !
(la combinaison (px+py+pz)/sqrt(3) n'est pas de symétrie sphérique, c'est une orbitale p pointant vers la diagonale du cube )

en l'absence de mesure, il est illicite de penser qu'un atome est dans un "état" : il sera décrit par une superposition statistique, qui décrit une "situation" non polarisée (une matrice densité isotrope). Pour "savoir" dans quel état il est, il faut avoir une information extérieure (par exemple l'exciter avec un photon dont on sait qu'il est polarisé), mais du coup ça brise la symétrie sphérique. Dans le cas général, il est illicite de penser qu'une particule est décrite par un état pur, et a donc des "propriétés" (comme la forme..) sans en avoir d'information dessus....

[invité576543]

Commentaire annexe sur le vocabulaire: les états dont tu parles sont des mélanges ordinaires (pas des états intriqués). les états intriqués sont des états appartenant à des espaces produits tensoriels.

Pour ce vocabulaire, j'avais été surpris par cela :

Au départ on a un état normalisé qui est un mélange (cohérent) de spin up et down soit

Il me semblait qu'une combinaison linéaire d'états et un mélange étaient deux choses différentes.

Faut que je regarde des textes de référence...

Cordialement,

[mariposa]

Faudrait passer à un mélange équiprobable de toutes les p possibles... Est-ce que cela a un sens?

Quand on fait un calcul en champ moyen (par exemple Hartree) des structures électroniques on a à résoudre un problème self-consistent. : l'énoncé du problème est fonction des solutions.

Pour résoudre le problème des atomes on maintient la symétrique sphérique en répartissant les électrons d'une façon a maintenir un potentiel sphérique.

Concrètement si on un électron et 3 orbitales p on met 1/3 d'électrons dans chaque orbitale p (ce qui n'est pas un mélange des 3 orbitales).

On a ainsi un potentiel sphérique qui permet d'itérer le problème avec un potentiel sphérique. On appelle çà le moyennage sphérique. ce n'est que de la technique de calcul.

Néanmoins c'est ainsi que l'on calcul les configurations électronique des atomes que tous les chimistes connaissent par coeur.

[mariposa]

Il me semblait qu'une combinaison linéaire d'états et un mélange étaient deux choses différentes.

Le bon vocabulaire c'est: combinaison linéaire, c'est le plus universel.

Un état imbriqué c'est une combinaison linéaire, mais cette combinaison linéaire est obtenue à partir d'un produit tensoriel de 2 espaces de Hilbert.

Par exemple soit un espace de Hilbert de dimension 3 celui de 3 orbitales px, py, pz avec un seul électron et un espace de spin 1/2 donc de dimension 2.

le produit tensoriel est de dimension 3*2 = 6 et n'importe quel vecteur de cet espace est un état qui a donc 6 composantes.

Ces états sont imbriqués et on les appelle dans ce contexte des spins-orbitales pour souligner leurs origines.

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Pour faire une équivalence avec les tenseurs ordinaires, c'est comme si on disait que les tenseurs de rang 2, 3 etc.. étaient des états imbriqués.
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La notion de mélange veut dire exactement la même chose mais le mot prend différents sens selon le contexte.

Dans le langage de tous les jours de ma vie professionnelle je parle de mélange, mais c'est plutôt un mot d'usage de substitution superfétatoire qui dans une période d'apprentissage peut provoquer des doutes: Pourquoi 2 mots pour désigner la même chose?

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