Interaction électromagnétique

[parousky]

Bonjour, je me pose pas mal de questions sur l'interaction électromagnétique au sein de l'atome et ceci est sûrement du à un manque cruel de connaissances !
Prenons l'exemple de l'atome d'hydrogène.
L'électron tourne autour du proton en décrivant un cercle, ceci car un photon a été échangé. Déjà, le photon est-il émis par le proton, l'électron ou les deux ? Aussi, après réception d'un photon, l'électron tourne toujours autour du proton, ou cette réception à un effet à durée limitée ? C'est-à-dire, l'émission de photons est-elle permanente ? Si non quelle est la fréquence d'émission du photon ?
Merci pour vos réponses !
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[Nicophil]

Bonsoir,

Basiquement, l'électron orbite autour du proton à cause de l'attraction électrostatique. Pas de photon à ce stade.
Si l'électron absorbe un photon, celui-ci vient de l'extérieur.

[Deedee81]

Salut,

Deux précisions :
- l'échange de photons dans cette circonstances c'est la théorie quantique des champs et il s'agit de photons virtuels (ceux-ci sont alors échangé sans qu'un sens particulier doive être indiqué, c'est totalement symétrique). C'est ardu d'expliquer des états liés dans le cadre de cette théorie (*). Il vaut mieux rester dans le cadre de la mécanique quantique "orthodoxe" (équation de Schrödinger éventuellement semi-classique en incluant champs électriques et magnétiques dans le potentiel). Dans ce cas, comme le dit Nicophil, c'est une interaction électrostatique sans émission ou absorption de photons.
- L'électron ne décrit pas un cercle. Il est totalement délocalisé autour du proton (effet quantique lié au principe d'incertitude) et dans l'état de base il ne possède aucun moment angulaire orbital. Dans les états excités il peut avoir ou ne pas avoir de moment angulaire orbital mais ce n'est quand même pas un cercle (les orbitales = "zones de présence" de l'électron, plus précisément l'amplitude quantique, sont en formes de sablier, de trèfles,...)

(*) pour donner quand même dans ce cadre une réponse à "état permanent ou transitoire" il faut faire le calcul en considérant tous les échanges possibles et inimaginables de photons virtuels à tout instant (une infinité de photons à chaque instant, une infinité d'instant dans une durée finie, ça donne le vertige, mais à la base c'est avant tout une technique de calcul et lui donner une "image" est à prendre avec des pincettes). L'effet est ainsi permanent. Ce qui est compatible avec l'approximation électrostatique.

[Amanuensis]

Prenons l'exemple de l'atome d'hydrogène.
L'électron tourne autour du proton en décrivant un cercle, ceci car un photon a été échangé. Déjà, le photon est-il émis par le proton, l'électron ou les deux ? Aussi, après réception d'un photon, l'électron tourne toujours autour du proton, ou cette réception à un effet à durée limitée ? C'est-à-dire, l'émission de photons est-elle permanente ? Si non quelle est la fréquence d'émission du photon ?

Toutes les questions partent d'une "image classique" de l'atome d'hydrogène. Ce n'est pas adaptée, on le sait depuis au moins un siècle.

Le modèle mathématique qui va bien est celui basé sur le formalisme de la physique quantique, et celui-ci ne peut pas être compris en termes de trajectoire d'électron. Quant à la notion d'échange de photons, elle vient de l'électro-dynamique quantique (QED), le modèle le plus abouti, qui se prête encore moins à une compréhension en termes "classiques". Même l'image de photons échangées est "fausse" si on la voit comme comme deux entités s'échangeant des petits machins, comme deux tennismen s'envoient des balles l'un à l'autre.

Je sais bien qu'il s'agit d'une réponse frustrante, mais il me semble qu'il faut accepter qu'il n'y a pas d'espoir d'une compréhension fine autrement qu'en allant explorer la physique quantique, et même la QED, avec un minimum de profondeur.

[A voir en vidéo sur Futura]

[dragounet]

Salut,

- L'électron ne décrit pas un cercle. Il est totalement délocalisé autour du proton (effet quantique lié au principe d'incertitude) et dans l'état de base il ne possède aucun moment angulaire orbital. Dans les états excités il peut avoir ou ne pas avoir de moment angulaire orbital mais ce n'est quand même pas un cercle.

Même pour l'atome d'hydrogène ?

[LPFR]

Même pour l'atome d'hydrogène ?

Bonjour.
Oui. Comme ça a été dit plus haut, le modèle d'atome de Bohr, avec les électrons qui tournent autour du noyau, a été abandonné par les physiciens il y a presque un siècle. Il n'est conservé que dans l'enseignement secondaire en France.
Au revoir.

[dragounet]

Donc ceci est faux?http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier...n_orbitals.svg

[curieuxdenature]

Bonjour dragounet

non ce n'est pas faux, c'est l'interprétation que tu en fais qui l'est.
Le module 1s représente une sphère, c'est le volume où évoluent les deux électrons qui peuvent s'y trouver.
Leur évolution n'est pas circulaire dans ce volume, la MQ parle de probabilité de présence à n'importe quel endroit dans la sphère.
En gros, le détail est un peu plus hard.

[Nicophil]

Leur évolution n'est pas circulaire dans ce volume, la MQ parle de probabilité de présence à n'importe quel endroit dans la sphère.
En gros, le détail est un peu plus hard.

Ca donne quand même une trajectoire à peu près circulaire.

[LPFR]

Ca donne quand même une trajectoire à peu près circulaire.

Re.
Non. Il n'y a pas de trajectoire.
A+

[Amanuensis]

Donc ceci est faux?http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier...n_orbitals.svg Pièce jointe 196809

Le dessin montre exactement le contraire que vous semblez penser. L'orbitale 2s (et plus généralement les ns) a une symétrie parfaitement sphérique. Cela oppose l'idée d'un axe de rotation, puisqu'un tel axe briserait la symétrie sphérique.

Les autres orbitales ont un moment cinétique orbital non nul, et présentent une symétrie au plus cylindrique, toujours compatible avec la singularisation d'un axe. (Ce qui ne veut pas dire que l'image d'une rotation soit valable, même pour ces orbitales-là.)

[Deedee81]

Ca donne quand même une trajectoire à peu près circulaire.

Pour certains états avec un électron très éloigné du noyau (atome de Rydberg) il peut être dans un état où l'électron est localisé dans un petit paquet d'ondes qui tourne de manière circulaire (et retombe sur les niveaux très serrés en émettant un "rayonnement de freinage"). C'est un cas quasi classique.

Mais pour un électron dans l'état de base (ou dans un des états peu excités), ça n'arrive pas (si on essaie de localiser l'électron, soit il s'étale tout de suite, soit l'électron change de niveau voire est éjecté). Dans ce cas, comme le dit LPFR, il n'y a pas du tout de trajectoire. D'ailleurs, s'il y en avait une, même approximative, l'électron aurait un moment angulaire orbital et comme celui-ci est conservé on pourrait le mesurer (et on sait par l'expérience que dans les états S, l'électron n'a pas de moment angulaire orbital).

[coussin]

Pour certains états avec un électron très éloigné du noyau (atome de Rydberg) il peut être dans un état où l'électron est localisé dans un petit paquet d'ondes qui tourne de manière circulaire (et retombe sur les niveaux très serrés en émettant un "rayonnement de freinage"). C'est un cas quasi classique.

C'est le cas dans les expériences d'Haroche (pour faire un lien avec l'actualité… )

[Deedee81]

C'est le cas dans les expériences d'Haroche (pour faire un lien avec l'actualité… )

Ha, bien, je ne savais pas. C'est sympa et intéressant. Merci.

[Nicophil]

Pour certains états avec un électron très éloigné du noyau (atome de Rydberg) il peut être dans un état où l'électron est localisé dans un petit paquet d'ondes qui tourne de manière circulaire (et retombe sur les niveaux très serrés en émettant un "rayonnement de freinage"). C'est un cas quasi classique.

Alors l'électron rayonne-t-il et si oui, pourquoi ne tombe-t-il pas sur le noyau?

[Amanuensis]

Alors l'électron rayonne-t-il et si oui, pourquoi ne tombe-t-il pas sur le noyau?

Il rayonne, et tombe "vers" le noyau. Mais il atterrira sur une orbitale plus basse, pas sur le noyau.

[LPFR]

Alors l'électron rayonne-t-il et si oui, pourquoi ne tombe-t-il pas sur le noyau?

Re.
Non. Précisément. L'électron ne rayonne pas (sauf changement de niveau d'énergie). Ceci mettait le modèle de Bohr en contradiction avec l'électromagnétisme classique. Le problème fut facilement solutionné par Bohr: il postula qu'un électron en orbite ne rayonnait pas. Facile non ?
A+

[dragounet]

Bonjour,

Au vu de ce qui m’a été indiqué, est-ce qu'au lieu de se représenter l’électron comme une bille il ne serait pas plus « juste » de se le représenter comme un nuage de probabilité statique ?

Ce serait un champ immobile autour du noyau d’hydrogène par exemple, et qui ne se matérialiserait en un corpuscule que si on l’observe ?

Cette façon de voir serait plus juste que la bille en orbite, non?

Au fait il faudrait renommer le terme d’orbite pour les électrons, non ?

[LPFR]

Re.
Oui. Je suis d'accord avec les quatre affirmations.
Mais on ne changera pas facilement la dénomination "orbite", pas plus que le mot "spin" (qui provient de la vision d'une bille de charge tournant sur elle-même). Les habitudes sont difficiles à changer.
A+

[Amanuensis]

Perso, je ne trouve aucune des quatre affirmations comme valable. (Le pire est le terme "matérialiser".)

Mais il n'y a pas à discuter.

Bye.

[Deedee81]

Saint milliard, pris de vitesse

Alors l'électron rayonne-t-il et si oui, pourquoi ne tombe-t-il pas sur le noyau?

Ce que j'ai dit n'est vrai que pour les électrons très éloignés de leur noyau. Le paquet d'ondes à tendance à se disperser. Dès que l'électron s'approche un peu trop, on quitte franchement le régime semi-classique avec un étalement de l'électron dans toute l'orbitale. On en arrive aux états quasi stationnaires habituellement décris. Jusqu'à l'état fondamental où il son orbitale est sphérique avec une taille moyenne (rayon de Bohr) minimale à cause du principe d'incertitude.

Au vu de ce qui m’a été indiqué, est-ce qu'au lieu de se représenter l’électron comme une bille il ne serait pas plus « juste » de se le représenter comme un nuage de probabilité statique ?

C'est ce qu'on fait (voir l'image que tu as posté, les différentes orbitales sont bien un nuage de probabilité. Enfin, plus exactement des amplitudes car la fonction d'onde a aussi une phase. enfin, bon, normalement les bords sont flous et l'orbitale s'étale même jusque... l'infini, idéalement du moins, mais c'est difficile à représenter avec ce type de dessin, c'est plus facile sur un graphe).

Ce serait un champ immobile autour du noyau d’hydrogène par exemple, et qui ne se matérialiserait en un corpuscule que si on l’observe ?

C'est ça. Avec tous les cas intermédiaires (voir ma description des atomes de Rydberg où l'électron est un petit paquet d'ondes qui tourne autour de l'atome).
EDIT : au bémol près du terme "matérialiser", voir la remarque d'Amanuensis.

La mesure disant "l'électron est là" c'est en fait un état où la fonction d'onde est concentrée autour d'un point. Si c'est trop concentré (courte longueur d'onde, énergie élevée) la mesure est trop violente et éjecte l'électron (position précise = impulsion très imprécise et très vite l'électron se retrouve étale de manière extrême et toute mesure ultérieure a des chances de le trouver très loin de son atome).
EDIT : voilà la bonne explication, la mesure modifie la fonction d'onde, elle ne matérialise pas l'électron !

Cette façon de voir serait plus juste que la bille en orbite, non?
Au fait il faudrait renommer le terme d’orbite pour les électrons, non ?

C'est le cas, on appelle cela "orbitale" !!!!

Mais tu n'empêcheras jamais la mauvaise vulgarisation et certaines personnes de parler de petites billes.

Note aussi que le modèle corpusculaire de Bohr, semi-classique, a son utilité pédagogique : c'est simple, c'est un premier pas vers la physique quantique, c'est historique, c'est souvent assez pratique en chimie,... A condition dans le cours de préciser que c'est une approximation, pourquoi et où. Je détaille ça ici :
http://www.scribd.com/doc/50185815/Tome-I
(je ne vois pas le modèle en profondeur mais je détaille ses hypothèses et ses lacunes)

Ce fut bien le cas quand j'ai eut cours de chimie physique à la fac (avec un excellent professeur qui a pris sa retraite deux ans plus tard). Quand il a dit "ce modèle est faux", ça a fait râler pas mal d'étudiant (quoi ? C'est faux et on doit l'étudier pour l'examen ? )

[curieuxdenature]

Alors l'électron rayonne-t-il et si oui, pourquoi ne tombe-t-il pas sur le noyau?

re

une autre manière de comprendre pourquoi il ne 'tombe' pas sur le noyau, c'est qu'un tel couple ne forme rien.
Le seul état possible serait de former un neutron mais au niveau d'énergie où l'électron se trouve ce n'est pas possible, alors il se contente de rester à distance sans fusionner avec le proton.
Dans d'autres cas de figures, quand le noyau est plus complexe et instable, il existe des probabilité non nulles de capture de l'électron, et le noyau 'descend' d'une case pour le numéro atomique. Le nuage électronique se réarrange alors pour s'adapter au nouvel atome ainsi formé.
Un exemple connu est celui du Potassium 40 qui se transforme en Argon 40 avec une demi-vie de 1.2 milliard d'années.