Représentation de l'atome

[T Curieux]

Bonjour,
Alors voila je suis au lycée et en physique lorsque l'on représente un atomes l'on utilise le Bohr, illustrant les noyaux (proton, neutron) et les électrons par des petite sphère.
Mais lorsque l'on s’intéresse plus en détail au atome, il est plutôt mention de nuage électronique et il est souvent dit que la représentation des atomes en collège/lycée est erroné.
Du coup la question est la suivante, Quelle est la représentation de l'atome la plus fidèle ? (en faisant abstraction de mon niveau scolaire)

*Représentation graphique ou textuelle, car il est des choses qu'il est difficile, voir impossible à dessiner/représenter.
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[invite6dffde4c]

Bonjour.
Le modèle de Bohr a été abandonné depuis 100 ans. À la place, on utilise le modèle ondulatoire, qui peut se représenter par les « nuages électroniques » (les orbitales).
Mais le petit système solaire miniature a la vie dure et il est plus parlant pour les non scientifiques.
Pour ce qui est de l’enseignement, le modèle de Bohr permet de faire faire des calculs imbéciles aux élèves : celui ou l’attraction électrostatique est la force centripète qui maintient les électrons en orbite. Bien sur, les enseignants « oublient » de dire que ce modèle ne fonctionne que pour l’hydrogène (et, avec des chausse-pieds, un peu pour l’hélium). Ils omettent aussi de dire que le modèle de Bohr est en complète contradiction avec l’électromagnétisme classique qui, lui, est encore en service.
Au revoir.

[pm42]

On peut aussi dire qu'il n'y a pas de représentation simple, visuelle du modèle actuel.
Par exemple dans celui ci, l'électron est effectivement une onde de probabilité qui couvre une partie du noyau. Autrement dit, dans le cas d'un atome d'hydrogène, il y a une probabilité non nulle que l'électron soit dans le proton (on trouve le calcul facilement).

Bref, on est totalement loin de toute représentation qu'on peut se faire tellement le comportement des particules quantiques est différent de notre expérience quotidienne.

[Deedee81]

Bonjour,

Voir ici par exemple :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Orbitale_atomique

Il y a quelques dessins des orbitales.

Evidemment, ces représentations sont imparfaites. D'une part l'amplitude de présence (la fonction d'onde), ce n'est pas "tout ou rien", et les zones dessinées sont simplement les zones de présence les plus probables.
Ensuite, les amplitudes sont des nombres complexes (ou pour le dire autrement : il y a une grandeur et une phase, comme pour les ondes). Et dans un dessin c'est difficile à montrer. On représente donc plutôt la probabilité de présence (carré de la grandeur de la fonction d'onde).

LPFR, je serais un peu moins dur que toi (ce qui ne veut pas dire que ce que je vais expliquer est toujours vrai. Je ne peux prendre en exemple que mon parcours).
Le modèle de Bohr a un avantage pédagogique : il est simple. L'important est en effet de préciser d'emblée ses limites. C'est ce qui était fait dans mon cours de chimie physique. Et c'était une introduction à la mécanique quantique stricto sensus. C'est un bon palier dans la complexité tant mathématique que conceptuelle. La mécanique quantique étant fort déroutante, c'est pas plus mal d'avoir une milestone à mi-parcours.

T Curieux,

Si tu veux aussi des images plus "directes", tu as celles du télescope à effet tunnel/force atomique. https://fr.wikipedia.org/wiki/Micros...0_effet_tunnel
On trouve beaucoup de jolies images (en fausses couleurs) sur le net.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite6dffde4c]

...
LPFR, je serais un peu moins dur que toi (ce qui ne veut pas dire que ce que je vais expliquer est toujours vrai. Je ne peux prendre en exemple que mon parcours).
Le modèle de Bohr a un avantage pédagogique : il est simple. L'important est en effet de préciser d'emblée ses limites. ...

Bonjour Deedee81.
Vous êtes l’exception qui confirme la règle. Et votre prof mérite une statue.

Quelle est la fraction d’élèves auxquels on a dit « d’emblée », que le modèle qu’ils allaient étudier n’avait plus cours, qu’il ne fonctionne que pour l’hydrogène et que le calcul des orbites est complètement bidon ?

En tout cas. Pas dans mon cas. On m’a même raconté, en chimie, l’histoire de la « configuration du gaz noble le plus proche ». J’ai été très déçu, quand j’au vu la publication sur la découverte du XeF6.
Cordialement,

[Amanuensis]

Je vais tenter une longue réponse, visant à la fois à donner une réponse qui pourrait satisfaire le questionneur (il en jugera) et mettre en perspective quelques réponses déjà données.

Alors voila je suis au lycée et en physique lorsque l'on représente un atomes l'on utilise le Bohr, illustrant les noyaux (proton, neutron) et les électrons par des petite sphère.

Déjà toutes les représentations sont à la fois "vraies" et "fausses". Aucune n'est parfaite, mais aucune n'est à rejeter car chacune a son utilité, un domaine d'application plus ou moins limité. Il faut néanmoins avoir une petite idée de leurs limitations respectives.

La représentation classique est le modèle planétaire de Rutherford, un noyau central de charge électrique positive et des électrons de charge négative tournant autour. Très simpliste, il permet néanmoins les idées de base, comme la neutralité totale, la notion d'ion en enlevant ou ajoutant des électrons, la notion d'éléments classés selon le nombre d'électrons et ayant des propriétés chimiques correspondantes, etc.

Ce n'est pas un modèle à négliger, car il donne les informations essentielles, déjà au-delà de ce qui est en pratique utile à la plus grosse partie de l'humanité.

Suffit de garder en tête qu'il est simpliste, ne permettant pas de traiter correctement de la dynamique interne d'un atome ou de molécules.

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Le modèle de Rutherford permet apparemment toute orbite, à l'image de planètes autour d'une étoile. Par contre l'application de l'électro-magnétisme classique (lois de Maxwell et alter) implique l'instabilité des atomes et des molécules, ce qui est manifestement contraire à l'observation, et montre que le modèle est simpliste.

Le modèle de Bohr ajoute une propriété ad-hoc, qu'il existe des orbites stables. C'est contraire à l'électromagnétisme classique, mais tant pis. Le modèle ne résout pas la contradiction, il se contente de favoriser l'observation. Le modèle précise les orbites stables supposées, et cela permet "d'expliquer" des phénomènes comme l'émission et l'absorption de la lumière se limitant à des raies, une raie correspondant à un changement d'orbite. Ce modèle a aussi pas mal de vertus explicatives pour la chimie, la classification des éléments selon certaines de leurs propriétés chimiques, etc.

C'est un mélange d'hypothèses ad-hoc et d'électromagnétisme classique, le tout contradictoire, mais qui a quand même un domaine d'application non négligeable. Évidemment, les contradictions fondamentales le rendent non acceptable comme modèle ultime.

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La résolution des contradictions a été l'un des moteurs principaux amenant à la physique quantique. Mais avec cette théorie la question de la représentation mentale graphique est devenue très difficile, et a priori sans solution. Et la représentation textuelle guère plus aisée. La représentation est d'abord en termes mathématiques, mais utilisant un cadre mathématique maîtrisé seulement par les spécialistes, cadre qui n'est enseignable que dans le cadre d'études supérieures et demandant un bagage mathématique préalable plus étoffé que ce qui est enseigné au lycée ; ce cadre mathématique n'est pas (ou très mal) vulgarisé, pour les mêmes raisons.

La difficulté de représentation vulgarisée est alors comment parler de ce modèle sans les mathématiques nécessaires. Un tel but ne peut être obtenu que très partiellement, et, parce que partiel, de tas de manières différentes. L'idéal serait d'adapter la manière au lecteur, mais faut-il encore anticiper ce qui va lui parler ou non. Du coup, chacun le fera à sa façon, selon ce qu'il a compris (et selon ce qu'il n'a pas ou mal compris) des maths sous-jacentes.

Je vais donc essayer à ma sauce, différente de celles des autres intervenants, tout comme elles sont différentes entre elles et reflètent les connaissances (et psychologie) de chacun.

Une difficulté importante à comprendre de la physique quantique, et qui est à l'oeuvre dans le problème de la représentation non mathématique (textuelle ou graphique) est la séparation entre "ce qui est" et "ce qu'on observe". Avec des électrons ponctuels à la mode Rutherford, le point sensé représenter un électron indique à la fois "où il est" et "où on peut l'observer". Vous allez dire, normal, comment pourrait-il en être autrement? Et bien, les maths de la physique quantique font autrement. On distingue "l'état", qu'on peut considérer comme "ce qui est", et les "observables", qu'on peut comprendre comme "comment observer". Et ce n'est pas la même chose.

Dans les descriptions que l'on va trouver, certains termes renvoient à l'état (les orbitales), d'autres à l'observation (probabilités).

Commençons par l'état. Un autre aspect à comprendre est la "linéarité" ; cela a une description précise en maths, et des conséquences très importantes, mais est difficile à "représenter". En très grossier, cela signifie que l'état est un tout, non divisible de manière unique en parties chacune avec son état. Autrement dit, l'état de l'atome n'est pas descriptible de manière unique et obligatoire comme une liste d'électrons chacun avec son état. Une illustration très simple: si une description est celle d'un électron à l'état A et un autre à l'état B, alors une autre description possible est (grossièrement) un électron dans l'état 1/2(A+B) et un autre dans l'état 1/2(A-B). Et toute autre combinaison...

Une manière de décrire l'état comme un tout est de parler de nuage électronique. Attention, pas "nuage d'électrons", mais un nuage dont le caractère total est similaire à une population d'électrons. L'état aura une charge électrique (correspondant au nombre d'électrons), une énergie totale, un moment cinétique total, etc. Mais une première description (guidée par les maths) demande de refuser d'y voir des électrons distincts. Un nuage "flou", continu, un "gaz" disposé autour du noyau (y compris tout près).

La linéarité permet de voir un tel nuage comme un élément d'un espace vectoriel abstrait. Ce qui amène à décrire un nuage donné à partir d'une base de cet espace vectoriel, à l'image d'une base (i, j, k) utilisée pour décrire un vecteur de l'espace. Un élément d'une telle base est ce qu'on appelle une "orbitale", précisément une "orbitale atomique" dans le cas d'un atome, ou une "orbitale moléculaire" dans le cas d'une molécule.

La description en termes d'orbitales est la plus proche de celles en termes d'électron, une orbitale étant choisie usuellement comme correspondant à la charge d'un électron. Il ne faut pas confondre orbitale et électron, mais c'est néanmoins pratique de faire cette confusion. C'est parlant, mais c'est limité. Une orbitale ressemble à une orbite (d'où son nom), elle a (en général) une charge, une énergie, un moment cinétique orbital (et un truc en plus, n'existant pas en mécanique classique, le spin). Mais une orbitale reste un "nuage électronique" ; et les orbitales sont pleinement "divisibles". Car tout comme on peut choisir (1/2(i+j), 1/2(i-j), k) comme base en lieu et place de (i, j, k) pour décrire des vecteurs de l'espace, on peut combiner linéairement les orbitales, ce qui est résolument différent d'électrons ponctuels distincts. Ces combinaisons jouent un rôle essentiel en chimie, permettant un pouvoir explicatif inégalé des propriétés chimiques des atomes et molécules.

Pour résumer, la description en terme d'état pourrait être celle d'un nuage électronique, gaz continu d'électrons indifférenciés situé "partout autour du noyau" ; la description fine permettant de distinguer les différentes nuages électroniques possibles (selon l'atome, selon que le nuage est "dans l'état fondamental" ou excité, ...) utilise la notion d'orbitale, une notion un peu comparable à une orbite d'électron, mais qui en est fondamentalement différente.

Les observables maintenant.

L'état quantique ne permet pas de répondre à des questions comme "y a-t-il un électron à cet endroit?". Une telle question n'a au fond pas de sens réduite à cela. Par contre, on peut poser la question "S'il y a une interaction entre l'atome et quelque chose d'extérieur, peut le décrire comme une interaction avec un électron situé à tel endroit?" (ou plus généralement un électron avec telle ou telle propriété qu'on attribue à un électron ponctuel). La réponse est oui, elle passe par la notion d'observable qui donne une réponse non pas en oui ou non, mais par une probabilité. Une observable modélise une interaction entre un nuage électronique (pris dans son ensemble) et autre chose (un photon par exemple), et donne des probabilités (que ça se passe ou non, que ça se passe avec telle ou telle propriété comme la position, l'énergie, etc.). Il y a diverses observables, selon l'interaction étudiée.

Il y a par exemple une observable "position" utilisée pour les interactions quand la notion de "lieu de l'interaction" a un sens. Cela amène à décrire l'état du nuage électronique par les résultats statistiques pour cette observable et parler d'un "nuage de probabilités". C'est une description partielle, guidée principalement par la proximité avec le classique.

Résumé: On peut tenter une description textuelle en parlant d'un nuage électronique, dont une description de l'état est possible en utilisant la notion d'orbitale, vaguement apparentée à l'idée d'orbite. Cette description ne parle pas directement de ce qu'on peut observer via des interactions avec l'atome ou la molécule. Cela demande la notion d'observable appliquée à l'état du nuage, qui donne un résultat sous forme de probabilités.

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Une telle description n'est évidemment pas ultime, et ne peut pas être pleinement satisfaisante. Il faut en accepter le flou (et cela est applicable à toutes les descriptions autre que les maths détaillées). Mais le but est de donner une idée des pistes d'approfondissement, de ce que les spécialistes peuvent eux mieux comprendre.

[invitecb7c417d]

Hello Amanuensis !

Je tente une nouvelle portion d'explication schématique littérale (à visualiser donc, comme les mots recouvrent des concepts qui peuvent être "vus" par l'esprit), si je peux ... j'ose pas vraiment la qualifier d'exhaustive, mais j'essaie néanmoins d'être à défaut complémentaire ? Donc, je me concentre sur quelques points de détails, mais peut être que ça pourra aider un peu ?

Déjà toutes les représentations sont à la fois "vraies" et "fausses". Aucune n'est parfaite, mais aucune n'est à rejeter car chacune a son utilité, un domaine d'application plus ou moins limité. Il faut néanmoins avoir une petite idée de leurs limitations respectives.

je suis entièrement d'accord avec ça, c'est pourquoi l'interaction subjective est nécessaire, àmha et c'est pourquoi, je reviens à la charge (moi hein ! Je m'exprime pas en Coulomb évidemment ). Excuses-moi si je te cite incomplètement, & pardon pour le dérangement

Dans les descriptions que l'on va trouver, certains termes renvoient à l'état (les orbitales), d'autres à l'observation (probabilités).

Je suis d'accord, ça me semble d'ailleurs l'essence même de la MQ.

Commençons par l'état. [...]

Alors, j'ai une manière bien à moi de présenter cet état de fait ( pas volontaire le jeu mots, mais oh combien vrai !), je vais donc utiliser un truc "tout con", c'est à dire le rapport à la dualité onde/corpuscule par les inégalités de Heisenberg !

Voilà les 2 principales :

>= à
&

>= à

Avec E : énergie ; t le temps ; x la position et p l'impulsion !

Il faut déjà savoir que l'opérateur temps t, n'est pas inclu dans la MQ (en fait il n'y a pas d'opérateur temps en MQ ! Mais ça doit respecter les transformations Lorentzienne ... il parait ), pour l'espace, c'est + compliqué, mais ça à valeur d'état de probabilité 1 sur x->, car seul l'intégration sur l'espace totale donne une probabilité de 1 de trouver la particule concernée (bah oui, elle EST forcément dans le volume totale de l'univers a minima !)

Voilà, ces quelques prérequis posés, on va pouvoir se laisser couler (une douille ! , que dis-je, une bagatelle !), donc je vais maintenant séparer (artificiellement s’entend, ou s'écoute plutôt) ce qui pour moi à attrait au(x) ondes et ce qui à attrait au(x) particule(s) & le résultat = (je vous laisse juge, j'arrive pas bien à l'expliquer ça ... pour peu que j'y arrive parfois ... suis peut être un peu quantique )

Donc, après avoir statué sur l'espace-temps (qui est décomposé, dans les inégalités de Heisenberg x (voir thêta et phi en coordonnée sphérique) et t sont bien dans 2 parties distinctes des 2 inégalités !) ; il reste E et p, or il se trouve que E (énergie) & p (impulsion) sont la partie d'un tenseur (hyper important !) en RG : le tenseur énergie-impulsion qui donne sa courbure/"forme" à l'espace-temps (d'où la coordination des TQCs : Théories Quantiques des Champs relativistes). Mais passons, l'important c'est que p est fondamentale et n'est pas seulement un attribut des particules massives (p peut être sans forcément être égale à mv car les photons ont une impulsion)

Voilà, où je veux arriver : l'espace-temps (x, t) est continu et représente l'onde (périodicité phase etc ...) et donc est étalée, comme une onde classique !

Or l'impulsion-énergie (p, E) est quantifiée (vérification quotidienne de la MQ), et donc cela réfère plutôt à un corpuscule ou particule ! C'est pourquoi on utilise (p, E) dans les collisions classiques mais aussi dans les accélérateurs de particules (LHC, etc ...)

Voilà, donc le problème posé : en MQ, l'onde est monopolisée par la particule et vice versa (selon les inégalités de Heisenberg) dans le même formalisme puisque l'on attribut une caractéristique particulaire à une onde et le contraire avec des limites (donc des approximations sur les bords) car c'est des inégalités ! Pardi !

L'onde-particule est autant que la particule-onde, ça dépend donc du degré d'efficacité du modèle choisi (et comme la MQ utilise les 2, bah ça ne peut que marcher ), voilà ma propre explication de la MQ sur la dualité onde/corpuscule qui est en fait une adéquation onde-particule (à voir peut être à attribuer un % à l'une ou l'autre pour décortiquer ? Moi je me demande si on peut faire du 50%onde 50%particule ? Parce que ça doit être un cas particulier quand même !)

Les observables maintenant.

Je tente une analogie statistiques, d'après un sujet houleux & fermé récemment, mais néanmoins, me servant de moteur à la rédaction de cette analogie (représentation partielle & limitée) que je vais essayer de faire ressortir :

La loi des grands nombres, induit une moyenne statistique sur la pluralité de suite de tirages combinés, c'est pourquoi, je pense que Dlzlogic avait (en partie) raison de signaler que |P-F| ne devait pas diverger ... mais seulement pour une de plusieurs tirages indépendants (différents donc !). La loi des grands nombres n'a de sens, que pour un nombre N de tirages "aléatoires", et non pas pour un tirage unique (enfin, si je dis pas de bêtise ?), même en n étape(s) !

Donc, hormis cela, |P-F| peut (en bayésien) donner ... n'importe quel résultat (limite divergente donc), pour un n (nombre de lancés de P & F, je mets pas ou exclusif, car ça paraitrait assez "particulier", une liste QUE de P ou QUE de F, c'est quand même la limite absolue ici !) borné ou plutôt fini !

Voilà, j'essaie par là de montrer que la notion de "nuage électronique" ou "l'amplitude de probabilité(s) de présence(s)" ne s'appuie que sur un tirage (une suite de lancé(s) de Pile ou Face), mais qu'avec ça ... bah la loi des grands nombres, ne s'applique pas ! Et dans le cas quantique |P-F| est toujours proche de 0 & 1 (en terme de qubit, cela signifie seulement que ni P, ni F et pourtant l'observable projetée EST soit 1, soit 0. Car la superposition (par l'observable) disparait avec la projection du vecteur d'état (collapse). Si bien, qu'en MQ, P & F sont des fractions possibles d'états indéterminés a priori, Pile un peu, Face beaucoup, Pile passionnément, Face à la folie

C'est seulement sur un "grand nombre" d'expériences de Physique Quantique que la notion probabiliste n'a été prise comme élément fondamentale de la MQ, a priori, d'un unique système quantique, comme postulat !

Donc, à considérer avec prudence ... puisqu'on voit les dégâts avec toutes les interprétations possibles sur un nombre d'évènements suffisant discernable ou non (et dans ce second cas, la pluralité est spatio-temporelle). Ce qui a amené Feynman a concevoir qu'il n'y aurait qu'un électron identique dans tout l'univers (pourtant la multiplicité de la charge en Coulomb, ne s'explique que par la discernabilité des électrons et l'exclusion de Pauli pour la matière fermionique, c'est à dire les atomes et la Chimie, tout bêtement ...)

Heu, je peux pas faire mieux qu'avec ces quelques phrases !

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[Amanuensis]

Une petite remarque...

J'ai distingué état et observables.

Parler d'énergie, de p, de x, etc., et de l'indétermination de Heisenberg est dans "observables", pas dans "état". L'état n'est pas défini par E, p, x, ou autre ; ces valeurs sont des résultats d'observables.

C'est un point assez fondamental de la physique quantique, un des aspects qui la différencie profondément de la physique classique, dans laquelle, justement, on va définir les états à partir de telles grandeurs.

[invitecb7c417d]

Hum , je pense être d'accord avec ta remarque, mais fait-elle + sens que cette comparaison (c'est un essai, c'est peut être à côté de la plaque ?) :

1) "L'état" tel que je le comprends (ou que tu le présentes ?), serait un "a priori" de ce que la tergiversation mathématique (j'ai rien contre les maths, donc, ne pas me faire dire que ça n'est pas essentielle), doit donner, puisque "fondamentalement" on a jamais accès à "l'état" (d'ailleurs, puisqu'il s'agit de "superposition d'états", en + ...), mais c'est bien dans les "observables" (que je traduis par "mesures" & "corrélations fortes" en MQ) que l'on a accès à "l'état" (enfin, il me semble ?), c'est un peu comme U (l’énergie interne), on a accès qu'à des différences de U, pas à la valeur de U, s'il n'y a pas de transformations, n'est-ce pas ? Ou bien elle est arbitraire/conventionnelle comme pour quantifier l'énergie du vide (ce qui donne des aberrations, sur la façon de la calculer, puisqu'on arrive à des différence de l'ordre de 10¹²⁰ sur les valeurs ... mais ce n'est qu'un "léger" détail ...)

C'est là que je tente un // possible :

2) Les "observables" (avec la définition que tu en fais, si je t'ai compris ?) tel que tu me fais remarquer que E, t & x ou p, en sont bien, alors même en classique (j'y inclus la RG, même si pour moi elle ne l'est pas !), ce n'est pas ces "grandeurs" qui définissent "les états" en classique (en fait surtout en RG), puisque justement, elles sont "locales", en dépit de la covariance "généraliser", de l'indépendance de fond, et de l'invariance par difféomorphisme ...

J'essaie juste de remettre en perspective "la partie" par rapport au "tout" (le système considéré "arbitrairement"), d'un côté en µscopique (on a pas accès "directement" au(x) partie(s)) & de l'autre, le côté galactique (on a accès "directement" aux parties, mais sans pouvoir "représenter" le "tout" (qui est souvent l'univers observable, pour être pragmatique))

J'y vois une cécité à double courant, si je veux imager ! Du pur "anthropomorphisme" diront certains pour charrier, mais on ne peut que difficilement échapper à sa condition humaine (qui prévaut, malgré tout, sans pour autant être centrale, àmha), en tant qu'observateur(s) de notre environnement !

C'est pourquoi, ce que je nommerai la Physique classique (ou baroque ), est pour moi un concept "étrange", puisque que ce soit la RG ou la MQ, ces 2 théories fondamentales n'ont rien de "classiques" pour moi ! Dans un sens comme dans l'autre.

Alors après ... suis peut être pas à jour mais il n'y aurait que des observables & c'est tout l'attrait de l'instrumentalisme ... mais je perçois que l'on peut aller + loin, la preuve la définition d'états en MQ ou les topologies possibles de l'univers observable. Bien que ça reste "encore" très spéculatif.

Toute(s) critique(s) est bienvenue(s), et merci de ta remarque

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PS : c'est peut être (aussi ?) un Pb de définition quand a "distinguer" ce qui devrait l'être ?