Fffet centrifuge et interactions

[franklin.]

Bonjour,
est ce que l' effet centrifuge peut expliquer que l' électron n' est pas irrémédiablement attiré par le proton ou que la terre ne tombe pas sur le soleil ?
Merci
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[mach3]

oui (avec des subtilités) pour la terre autour du soleil.
non pour l'électron autour du noyau atomique.

m@ch3

[Deedee81]

Salut,

non pour l'électron autour du noyau atomique.

Un petit exemple.

Pour l'hydrogène. L'électron dans son état de base (orbitale s) a un moment angulaire orbital nul. Donc, il ne "tourne" pas autour du proton !!!!!
(les orbites de type p, d,... ont un moment angulaire orbital).
Et donc ce ne peut pas être la force centrifuge qui est responsable de sa situation.
(indépendamment des difficultés à définir "force centrifuge" et "rotation" à l'échelle atomique)

A noter que dans le vieux modèle de Bohr, c'est bien la force centrifuge qui est utilisée. Et le fait que ça marche (au moins en partie) peut sembler très étonnant. Pour comprendre pourquoi ça marche si bien, il faut creuser un peu (les électrons dans des états de Rydberg ont un comportement très proches de ce modèle, et dans des états comme l'orbitale s, on se rend compte qu'en réalité la description en terme d'orbites n'a aucune utilité, ce qui compte vraiment est la condition de quantification).

[mach3]

détaillons un peu, d'abord le cas de la terre autour du soleil.

Considérons le système soleil-terre isolé du reste de l'univers pour simplifier et choisissons le référentiel dans lequel le centre de masse de ce système est immobile. Ce référentiel est inertiel (ou encore galiléen) et on peut y appliquer les lois de Newton.
Il n'y a que deux forces agissant à l'intérieur de ce système, la force de gravitation exercée par le soleil sur la terre et celle exercée par la terre sur le soleil. Comme le système est isolé, ces forces sont donc de norme et direction égales et de sens opposé, afin de satisfaire à la 3e loi de Newton (ou à la conservation de la quantité de mouvement). D'après la seconde loi, l'accélération subit par un corps est la somme des forces qui lui sont appliquées divisée par sa masse. Le soleil étant bien plus massif que la terre, il subit donc une accélération bien plus faible.
L'accélération est la dérivée de la vitesse, elle même la dérivée de la position : les trajectoires suivies par le soleil et la terre sont donc entièrement déterminées par les accélération dues au forces ainsi que par leurs positions et vitesses initiales (au temps t=0 choisi arbitrairement pour décrire le mouvement). On trouve alors dans le cas le plus simple que le soleil et la terre décrivent tous les deux un cercle autour du centre de masse du système, celui parcourant la terre étant beaucoup plus grand. Dans ce cas le plus simple, à tout moment les forces, et donc les accélérations, sont perpendiculaires aux vitesses, ce qui signifie que les vitesses changent de direction sans changer de norme : le mouvement est circulaire et uniforme et donc éternel dans ce système simplifié.
On voit que dans cette description il n'y a aucun besoin d' "effet centrifuge" pour expliquer que la terre ne tombe pas sur le soleil. La seule raison pour laquelle ça n'arrive pas, c'est parce que la terre se meut avec la bonne vitesse compte-tenu de sa distance au soleil.

Toutefois on peut choisir un référentiel dans lequel le soleil et la terre sont tous les deux immobiles, mais celui-ci n'est pas galiléen, car en rotation par rapport au référentiel que l'on a considéré auparavant : il faut ajouter des forces dites d'entrainement pour que les lois de Newton continuent de s'appliquer. Dans ce cas, il y a deux forces qui s'appliquent sur la terre :
-la force de gravitation exercée par le soleil
-la force d'entrainement, dite ici centrifuge
Comme la terre est ici immobile, sa vitesse et constamment nulle et donc son accélération également : la somme des forces doit être nulle, donc la force centrifuge est exactement opposée à la force de gravitation (il en est de même pour le soleil qui subit la force de gravitation exercée par la terre et une force centrifuge également).
Dans cette description, c'est bien la force centrifuge qui explique que la Terre reste immobile, suspendue à distance du soleil qui pourtant exerce sur elle une force de gravitation.

m@ch3

[A voir en vidéo sur Futura]

[mach3]

détaillons maintenant le cas de l'électron dans l'atome, déjà abordé par Deedee.

Le premier truc important à dire, c'est qu'à ces échelles, la plupart des concepts employés dans message précédent, propres à la mécanique classique Newtonnienne ne font plus sens. Il n'y a pas de position, pas de vitesse, pas d'accélération, pas de trajectoire. Ca ce sont des trucs qui émergent dans les situation macroscopiques. L'électron, piégé dans le puits de potentiel électrostatique du noyau, n'a pas de trajectoire, il ne tourne pas autour du noyau.

A cette échelle et dans ce cas de figure, l'électron est une onde stationnaire. Une onde n'a pas de position ni de vitesse définie, elle est étalée dans l'espace. Elle a en revanche une énergie bien définie qui dépend du mode de l'onde stationnaire.

m@ch3

[invitef29758b5]

Salut
Le modèle planétaire de l' atome a la vie dure

[Deedee81]

Le modèle planétaire de l' atome a la vie dure

C'est normal.

Il est simple et facile à expliquer. Pour cette même raison il garde un caractère pédagogique (car il est toujours mieux d'apprendre en allant du simple vers le compliqué). Même si ça reste critiquable (mon cours à la fac commençait par ça et à la fin le prof a dit "tout ce que je viens de vous expliquer est faux" ). Il est aussi visuel (sur papier c'est plus facile de dessiner un cercle qu'une orbitale Et même en toute rigueur, impossible de représenter l'orbitale sans approximations). Il est historique.

Et même, parfois, ce modèle reste suffisant (bien qu'il y a vraiment peu de cas. Très peu).

Tout ça fait qu'il reste connu et parfois même mieux connu que l'approche "moderne" (avec des guillemets car c'est pas si nouveau que ça, c'est même venu juste après Bohr).

[coussin]

Salut
Le modèle planétaire de l' atome a la vie dure

Dans certains cas, ça fait du sens.
Par exemple, certains états de Rydberg atomique (ceux utilisés dans les expériences de Haroche par exemple) redeviennent classiques et s'expliquent très bien avec un modéle planétaire.
Pis on a beau répéter que "l'électron ne tourne pas autour du noyau", toujours est-il que le moment angulaire orbital de cet électron joue un rôle crucial. Mais bon, ça faut pas le dire... Chut...

[Deedee81]

toujours est-il que le moment angulaire orbital de cet électron joue un rôle crucial. Mais bon, ça faut pas le dire... Chut...

Si, si Pour les orbitales p par exemple. Mais pour les orbitales s, ce moment orbital est nul. Ce qui invalide la notion de "en orbite grâce à la force centrifuge" qui était la question.

Tiens, un truc amusant. Dans les états de Rydberg, l'électron tombe en spirale vers le noyau en émettant un rayonnement (en approchant les changements d'orbitales très proches par un changement continu) conformément à ce que donne la physique classique mais au contraire de ce que postule le modèle de Bohr. C'est quand même un peu ironique quand on y réfléchit bien