Orbital Atomique et Modèle de l'atome

[invite2721d6b2]

Bonjour,
Une question me hante l'esprit.
Quand on représente un atome dans les documentaires scientifique, ou les poster de science dans les écoles, on voit globalement un noyau avec des éléctrons gravitant autour du noyau tournant à la manière des satellites autour de leur planète.

Pour une orbital s, la forme de l'orbital étant une sphère. Donc j'imagine que le carré de fonction d'onde doit ressembler encore à une sphère, donc on a toujours notre notion de l'éléctron en mouvement autour de l'atome (sans que l'on puisse déterminer sa vitesse ou sa position exacte certe, mais toujours globalement un electron en mouvement autour du noyau).

Mais pour les orbital P (et D, etc...), on a des sorte de cones... Si le carré de la fonction d'onde definie la probabilité de présence de l'electron, le carré d'une fonction représentant des cones, va former des espaces qui ressemblerais a des espaces fermés dans lequel l'electron serait emprisonné ou en suspension... ???

J'avoue que la je ne comprend pas du tout.
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[invite1a85c30c]

Salut,

Le problème est que la notion de trajectoire n'a plus de sens pour décrire l'état d'un électron.

Comme tu l'as dit, l'état de l'électron au sein d'un atome est déterminé par une fonction d'onde dont le module au carré correspond à sa probabilité de présence.
Les relations d'incertitude d'Heisenberg t'interdisent de parler de trajectoire (vu que tu ne peux pas connaître simultanément position et vitesse). Du coup, ça n'a pas vraiment de sens d'essayer d'imaginer ce que pourrait faire l'électron atour de l'atome, et ce, même pour une orbital s!!

[invite93279690]

Salut,

Les orbitales s sont certes sphériques mais cela veut juste dire que les électrons sont contenues dans des sphères et qu'aucune direction n'est a priori privilégiée. En particulier, pour les orbitales s, le moment cinétique est rigoureusement nul et donc l'électron ne tourne pas du tout en orbite autour du noyau.

Pour les autres orbitales, on observe quelque chose qui n'est pas sphérique en effet mais la direction dans laquelle cette asphéricité apparait est complètement arbitraire de telle sorte que le système reste toujours invariant par rotation. En pratique, le moment cinétique est non nul et donc les orbitales "tournent". Cela peut se voir en calculant le courant de probabilité qui est constant mais non nul pour les orbitales qui ne sont pas de type s. Plus le nombre quantique l associé à une orbitale atomique est élevé et plus elle ressemble à une orbite de la théorie de Bohr à laquelle tu fais allusion.

[invite2721d6b2]

J'ai bien fait attention de ne pas parler de trajectoire, mais de mouvement, précisément à cause de l'inégalité de Heisenberg
N'empêche que l'électron est bien en plus d'une onde, un corpuscule.

Ainsi le corpuscule est bien quelque part dans le lobe de l'orbitale p. Donc il est en suspension dans les limites de ce lobe ???

Par ailleurs, pourquoi les atomes sont représenté dans les supports pédagogiques comme des modèles planétaires, et pas par des orbitales ???
C'est carrément mensongé...

Merci pour vos réponse.

[A voir en vidéo sur Futura]

[coussin]

Ainsi le corpuscule est bien quelque part dans le lobe de l'orbitale p. Donc il est en suspension dans les limites de ce lobe ???

Non, c'est probabiliste. Si vous faites un grand nombre de mesure de la position de l'électron, vous obtiendrez qu'il est dans le lobe de droite à 50% et dans le lobe de gauche à 50%. Et en particulier, l'électron ne sera jamais sur le plan nodal…
Bref, c'est probabiliste. Je ne sais pas comment l'expliquer mieux…

[invite93279690]

Non, c'est probabiliste. Si vous faites un grand nombre de mesure de la position de l'électron, vous obtiendrez qu'il est dans le lobe de droite à 50% et dans le lobe de gauche à 50%. Et en particulier, l'électron ne sera jamais sur le plan nodal…
Bref, c'est probabiliste. Je ne sais pas comment l'expliquer mieux…

Cela étant, il est toujours possible de délimiter une région à l'intérieur de laquelle la probabilité de présence est de 99% ou 99.9% etc...

[coussin]

Mieux que ça : la probabilité de présence dans tout l'espace est, bien évidemment, 100%. On appelle ça la normalisation de la fonction d'onde.

[invite93279690]

Mieux que ça : la probabilité de présence dans tout l'espace est, bien évidemment, 100%. On appelle ça la normalisation de la fonction d'onde.

oui ok...mais mon point est que un critère à 99% ou 99.99% donne une estimation pratique de la taille d'un atome. Par exemple pour l'orbitale 1s de l'hydrogène l'électron a 99% de chance d'être dans une sphère faisant 4 fois le rayon de Bohr, 99.9% de chance d'être dans une sphère faisant 5.5 fois le rayon de Bohr et une chance sur 1 million pour un rayon de 10 fois le rayon de Bohr, bref je crois que tu comprends où je veux en venir .

Une façon plus physique de faire la chose est de considérer deux atomes d'hydrogène séparés par une distance donnée et regarder l'overlap de leurs orbitales pour voir de combien contribue la possible présence d'un électron même à l'infini pour les valeurs propres des observables mesurables pour ces deux atomes. Grosso modo, on va obtenir qu'après queleques rayon de Bohr il ne se passe plus rien.

[coussin]

Oui, heureusement pour nous ça meurt en exp(-r/a0). C'est pour ça qu'on peut parler d'entité : c'est relativement limité spatiallement. Tu imagines un monde où les fonctions d'onde meurent en 1/r Très « flou » comme monde

[invite2721d6b2]

Tres bien, mais comment vous pouvez expliquez que le corpuscule electronique (qui a une charge electrique) reste circonscrit a son lobe (dans le cas d'une orbital p (par exemple).
Il est en suspension dans celui-ci ? Mais comment on peut l'expliquer physiquement ??? dès qu'il atteint les limite de son lobe, une force magique vient le repousser a l'intérieur pour ne pas qu'il s'echappe... Désolé, mais je ne comprend toujours pas comment cela peut fonctionner d'un point de vue corpusculaire.

Merci pour vos réponses, mais cette question me hante toujours l'esprit.

[invite93279690]

Tres bien, mais comment vous pouvez expliquez que le corpuscule electronique (qui a une charge electrique) reste circonscrit a son lobe (dans le cas d'une orbital p (par exemple).
Il est en suspension dans celui-ci ? Mais comment on peut l'expliquer physiquement ??? dès qu'il atteint les limite de son lobe, une force magique vient le repousser a l'intérieur pour ne pas qu'il s'echappe... Désolé, mais je ne comprend toujours pas comment cela peut fonctionner d'un point de vue corpusculaire.

Merci pour vos réponses, mais cette question me hante toujours l'esprit.

Je te rappelle au cas où tu aurais oublié qu'il y a une interaction électrostatique entre le noyau et l'électron. C'est la raison pour laquelle l'électron n'a pas envie de se barrer à l'infini.

[Deedee81]

Salut,

je ne comprend toujours pas comment cela peut fonctionner d'un point de vue corpusculaire.

Attention. Dans le cas d'un atome, pour un électron bien sage autour du noyau. Le point de vue corpusculaire est totalement erroné.

Si l'on essaie de concentrer la probabilité de l'électron dans une petite zone, quelque part autour du noyau, alors il ne va falloir qu'une infime fraction de seconde avant que l'électron ne se disperse autour du noyau et avec de plus une probabilité non négligeable que l'électron ne soit éjecté.

La dispersion de l'électron est intrinsèque. Ce n'est pas juste une incertitude sur la position d'un corpuscule. Le caractère ondulatoire est inévitable.

L'exception ce sont les atomes de Rydbeg :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Atome_de_Rydberg
C'est le cas où l'électron est très éloigné du noyau (état très excité). Dans ce cas un électron "concentré" peut subsister dans cet état assez longtemps. En fait, un tel électron se comporte de manière quasi classique (tel que décrit par la physique classique). Par exemple il va descendre progressivement de niveau en niveau, des niveaux très resserrés, en émettant un rayonnement quasi continu, presque identique au rayonnement de freinage d'un électron accéléré (en rotation, accélération centripète) donné par la physique classique.

[invite2721d6b2]

J'imagine bien qu'il ne peut pas se barrer à l'infini dû à l'intéraction éléctrostatique avec son noyau?
Ma question est: Qu'est ce qui l'empêche de se barrer sur les cotés du lobes ?

Je sens que je vais vivre avec cette interrogation toute ma vie, et çà me terrifie !!!!

[invite93279690]

J'imagine bien qu'il ne peut pas se barrer à l'infini dû à l'intéraction éléctrostatique avec son noyau?
Ma question est: Qu'est ce qui l'empêche de se barrer sur les cotés du lobes ?

Je sens que je vais vivre avec cette interrogation toute ma vie, et çà me terrifie !!!!

C'est la nature ondulatoire de l'électron qui est à l'origine de ces lobes, je ne crois pas qu'il y ait une réelle interprétation physique classique qui puisse expliquer ça.

[coussin]

Et moi je sens que vous ne comprenez pas ce qu'est une densité de probabilité Ce que sont les orbitales…

Votre propos est du style : je tire à pile ou face. J'ai 50% de chance de tirer pile et 50% de tirer face (c'est l'aspect « densité de probabilité »). Une fois que j'ai tiré pile, qu'est-ce qui empêche ma pièce de spontanément de changer de face et de me montrer face (c'est l'aspect « qu'est-ce qui empêche l'électron de changer de lobe »).

Comprenez-vous maintenant que votre question n'a juste aucun sens ? (sans vouloir être méchant )

[invite93279690]

C'est la nature ondulatoire de l'électron qui est à l'origine de ces lobes, je ne crois pas qu'il y ait une réelle interprétation physique classique qui puisse expliquer ça.

Je tente quand même un argument avec les mains. Considérons l'orbitale 2pz pour commencer. Elle a deux lobes un en haut et un en bas du plan xy. Elle correspond à mz = 0 ce qui veut dire qu'il n'y aucune rotation autours de l'axe Oz. En ravanche cela implqiue qu'il y a une rotation autours des axes x et y avec une probabilité identitique entre ces deux axes. Tu peux imaginer que les forces centrifuges associées à ces rotations sont responsables de ces lobes qui éloignent l'électron du plan xy.

[invite2721d6b2]

On peut assimiler les lobes a des sortes de cage où on a 95% de trouver l'electron (on parle bien de la nature corpusculaire)

Alors, OK la formes des lobes se justifie par la fonction d'onde (donc par la nature ondulatoire de l'electron)

Mais est-ce que l'on peut expliquer ces forme d'un point de vue corpusculaire ?
Ou alors faut-il comme le suggère Gastu, il vaut mieux abandonner toute interprétation corpusculaire.

Mais à ce moment là, c'est pas un peu hypocrite sachant qu'on hésite pas une seul seconde à utiliser la notion de niveau d'energie qui fait appele précisemment à la nature corpusculaire de l'electron et qui se traduit par une distance plus ou moins importante entre l'electron et son noyau ?

Est-ce que si on abonne toute ambition corpusculaire, n'est-il pas abusé de dire dans les manuelles scolaire que les électrons "gravitent" autour d'un noyau ?

[invite2721d6b2]

Ok, j'avais pas lu le dernier message, mais je pense qu'il répond à ma dernière question du coup.
Merci.

[invite2721d6b2]

Je crois que je vais devenir fou là !!!
Je pensais avoir compris, mais après avoir vu un truc sur you tube, crain que non...

Ma question se réume ainsi:
Est-ce que le fait, d'étre pour un éléctron dans un lobe (comme dans les orbital p) l'empêche de tourner autour du noyau ???
Est ce que si l'electron se trouve en Pz, l'orbital peut continuer de tourner soit autour de x, soit autour de y, mais pas autour de z ??

[invite93279690]

Je crois que je vais devenir fou là !!!
Je pensais avoir compris, mais après avoir vu un truc sur you tube, crain que non...

Faut faire attention aux videos youtube .

Ma question se réume ainsi:
Est-ce que le fait, d'étre pour un éléctron dans un lobe (comme dans les orbital p) l'empêche de tourner autour du noyau ???

Que cela soit clair, on ne sait pas où se trouve l'électron, il n'y a que des probabilités. Ces probabilités ne sont pas uniformes pour autant et l'explication avec les mains que j'ai donnée plus haut permet de comprendre pourquoi l'orbitale pz tend à éloigner l'électron du plan xy i.e. probabilité très faible d'avoir l'électron près du plan xy. Si tu as une orbitale p, cela veut dire que l=1 et que donc ton électron tourne, c'est aussi direct que ça.

Est ce que si l'electron se trouve en Pz, l'orbital peut continuer de tourner soit autour de x, soit autour de y, mais pas autour de z ??

Oui car si tu appliques Lx ou Ly sur un état avec l=1 et m=0 selon z, tu vas obtenir quelque chose de non nul. Cela veut dire que l'électron a "un mouvement qui a les caractéristique d'une rotation" 50% autours de x et 50% autours de y mais pas autours de z.

[mach3]

L'électron lié à un noyau n'a de comportement corpusculaire que lorsqu’on essaie de le "photographier", sinon c'est une onde en trois dimension piégée dans le puits de potentiel du noyau. Comme toute onde, elle se propage dans toutes les directions simultanément et elle interfère.
On peut décomposer le mouvement de l'onde électronique en une contribution radiale et une contribution sphérique. Dans la contribution radiale l'onde s'éloigne du noyau (dans toutes les directions en même temps) mais est attirée par le noyau, si bien qu'elle fini par "retomber" (elle est en fait réfléchie), passer à travers le noyau puis s'en éloigner à nouveau, retomber ect. C'est analogue aux ondes concentriques que l'on peut observer sur la surface d'un liquide contenu dans un récipient cylindrique : des ondes partent du centre, se réfléchissent sur les parois, repartent vers le centre, s'y croisent et repartent. Dans la contribution sphérique, l'onde tourne autour du noyau, mais dans toutes les direction possibles simultanément (il faut l'imaginer comme enveloppant le noyau). Là encore on peut observer des ondes similaire à la surface d'un liquide dans un récipient cylindrique, qui suivent la parois en tournant dans les 2 sens et en se croisant.

L'onde électronique, que ce soit par aller-retour radiaux ou en tournant, interfère avec elle même, ce qui fait que seuls certains modes peuvent exister (de même qu'une onde à la surface d'un liquide) : ceux qui aboutissent à une onde stationnaire (seules certaines fréquences d' "aller-retour" et de "rotation" empêchent l'onde de s'annuler elle-même). On a donc des lobes qui sont les zones de l'espace ou l'onde électronique interfère constructivement et des noeuds (ou plutot des surfaces nodales) où elle interfère destructivement. Ces lobes et ces surfaces sont stationnaires.

m@ch3

[invite93279690]

Pour compléter l'explication ondulatoire donnée par mach3, un petit tour en bas de page du wiki s'impose .

[mach3]

c'est de ça que tu parles : http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_...ding_of_shapes ?

excellent!!

m@ch3

[invite93279690]

c'est de ça que tu parles : http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_...ding_of_shapes ?

excellent!!

m@ch3

Oui c'était de ça dont je parlais mais je savais pas qu'on pouvais mettre un lien direct associé à une partie.

[Deedee81]

Salut,

Petit détail, concernant ça :

Ma question est: Qu'est ce qui l'empêche de se barrer sur les cotés du lobes ?

Les lobes ce n'est qu'une représentation visuelle approximative. Cela a été partiellement dit plus haut (avec l'histoire des 95%). Il est clair qu'il faut bien représenter ça sur papier d'une manière ou d'une autre.

En fait, la fonction d'onde (quel que soit l'état) s'étend jusqu'à l'infini. Dans le cas idéalisé un noyau et des électrons et... un univers vide.

Car ça aussi c'est une approximation. Il est évident que l'orbitale s d'un atome d'hydrogène de mon corps ne s'étend pas sur 100 km. Il y a des obstacles.

Et justement ces obstacles font que les orbitales de différents atomes se recouvrent. Et la probabilité que l'électron saute d'un atome à l'autre n'est jamais totalement nulle.

Cette approximation n'est levée que quand on fait des calculs sur des molécules simples (deux atomes par exemple). Et encore. On utilise là aussi diverses techniques pour simplifier les calculs (c'est comme avec les trois corps en gravité newtonienne, deux noyaux, deux électrons, et c'est déjà insoluble de manière analytique).

Lorsque le nombre d'atomes devient énorme (solide, cristaux) les orbitales se recouvrent totalement et on a apparition d'une bande de conduction ou les électrons peuvent se balader et le phénomène de bande justement (regroupement des niveaux d'énergie admissibles dans des bandes). Selon les bandes on a des isolant, semi-conducteurs, conducteurs,... Là le calcul est possible en faisant l'hypothèse de structure cristalline (c'est plus facile de traiter le cas d'une chaine infinie d'atomes tous identiques et espacés régulièrement que le cas de trois atomes différents placés n'importe comment). Mais ça reste imbuvable (je l'avais vu en cours de physique mais on ne devait pas l'étudier pour l'examen !!!).