État quantique de l'électron

[iPhysics]

Bonjour à tous !

J'aimerais revenir sur un point qui est on ne peut plus flou dans ma tête.. Depuis un moment je m'intéresse à la physique quantique, mais je n'entre à la fac que cette année et je n'ai pas eu l'occasion de voir cela en cours. Et j'ai une question à laquelle je n'ai pas trouvé de réponse :

En sachant que le changement de couche électronique (soit le changement d'orbite) est un phénomène quantique qui a notamment lieu lors de l'absorption d'un photon par l'atome. On se dit naturellement que les électrons changent continuellement de couches, de nombres quantiques de sorte à ce qu'aucun n'ait exactement les mêmes nombres quantiques (donc 2*n^2 électrons sur la nième couche etc).
Partant de ce postulat, cela veut dire que les électrons qui nous composent (et qui donc ont évidemment subi la décohérence quantique) ne peuvent pas avoir un comportement quantique et donc ne peuvent pas changer de couche électronique ? La solution serait de se dire que le changement de couche (donc de niveau d'énergie) ne serait pas un phénomène quantique.. Mais alors pourquoi appelle-t-on cela un nombre quantique ?

Et ainsi, peut-on se dire que les électrons qui nous composent ont une vitesse et une position bien définie, et qu'ils n'obéissent pas à un régime ondulatoire de probabilité ? Doit-on privilégier le modèle de Bohr par rapport à celui de Schödinger lorsque la décohérence s'impose ?

Merci d'avance de votre éclairage, cela peut paraître bien stupide mais dans le fond, je ne m'étais jamais posé ce problème auparavant et je n'y trouve pas de solution.
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[coussin]

Pourquoi "Naturellement, les électrons changent continuellement de couches..."
C'est faux. Un atome dans son état fondamental soumis à aucune radiation, ses électrons ne changent pas continuellement de couche. C'est l'état fondamental, c'est stable. Ça n'évolue pas. Les électrons ne peuvent pas changer de couche comme ça, sans rien faire.

[iPhysics]

Il est vrai, je me suis mal exprimé. Je voulais dire, naturellement les électrons qui nous composent sont au quotidien sujets à une interaction avec les photons qui nous parviennent.

[pm42]

Question : pourquoi seraient ils tous en état de décohérence ? Et pourquoi ne seraient ils pas des objets quantiques ?

La décohérence est là pour expliquer le passage au macroscropique et là, tu parles d'électrons qui ne peuvent être autre chose que décrits quantiquement.

[A voir en vidéo sur Futura]

[iPhysics]

Ils sont tous en état de décohérence car ils sont tous dans notre corps et donc interagissent avec des millions d'autres particules chacuns, non ? Et la décohérence, justement estompe leur effet quantique. Et justement, les électrons sont des "briques" qui constituent en partie notre corps macroscopique, c'est pour cela que je me demande comment peuvent-ils prétendre à des effets quantiques

[coussin]

Il est vrai, je me suis mal exprimé. Je voulais dire, naturellement les électrons qui nous composent sont au quotidien sujets à une interaction avec les photons qui nous parviennent.

Oui mais malgré ça, rien ne se passe en gros.
Tout autour de nous est assujetti à un rayonnement du corps noir à, disons, 20°C. Or, dans un tel rayonnement, il n'y a pas de photons susceptibles de faire une excitation électronique.

Ensuite, il faudrait prendre au cas par cas ce que vous voulez dire. En effet, "dans la vie de tous les jours" il n'y a pas d'atomes uniques ou isolés. Ce serait le cas d'un gaz monoatomique ce qui n'est pas commun. Nous sommes plutôt entourés de solides, liquides (qui ne sont pas des atomes isolés) ou des gaz composés de molécules (l'air est un bon exemple ). Dans tous ces cas, l'énergie de ce rayonnement ambiant à 20°C se trouve dans des degrés de libertés autres qu'electroniques : vibration, rotation et translation pour les gaz.

Pour préciser encore plus : un atome d'hydrogène dans son état fondamental, soumis à un rayonnement "ambiant" à 20°C, y reste (dans son état fondamental) parce que dans ce rayonnement ambiant il n'y a pas de photons à 121 nm, seuls susceptibles d'exciter un atome d'hydrogène.

[coussin]

Ils sont tous en état de décohérence car ils sont tous dans notre corps et donc interagissent avec des millions d'autres particules chacuns, non ? Et la décohérence, justement estompe leur effet quantique. Et justement, les électrons sont des "briques" qui constituent en partie notre corps macroscopique, c'est pour cela que je me demande comment peuvent-ils prétendre à des effets quantiques

Oui, pour voir des "effets quantiques" dans un objet macroscopique (raisonnablement, plutôt mesoscopique) c'est très très difficile. Il faut l'isoler de l'environnement extérieur et le refroidir proche de T=0. C'est le domaine de l'optomécanique.

[iPhysics]

Oui justement, c'est ce problème d'état solide, liquide et gazeux qui crée la décohérence qui me posait problème..
Mon problème en fait, était qu'à ce que j'avais compris, la couleur des objets venait du fait donc que par exemple une carotte absorbe toute la lumière qui ne donne pas du orange et rejette ce orange qui nous parvient à l'oeil, et justement que le fait d'absorber ces rayonnements de couleurs apportait de l'énergie nécessaire à des électrons pour grimper des couches électroniques, ce qui, encore à ce que j'en ai lu, est un phénomène purement quantique.

Dois-je du coup comprendre que l'absorption de ces rayonnements lumineux ne permet pas de changement électronique de l'électron quoiqu'il advienne ? Et qu'ainsi, l'électron garde une position orbitale fixe dans un état fondamental dans cette situation ?

Merci beaucoup, il est vrai que je n'ai pas les connaissances requises, surtout lorsqu'il s'agit de détails technique (tels que la longueur d'onde, les températures etc).

[coussin]

Dans un objet macroscopique, il n'y a plus d'états électroniques discrets. C'est un premier point. Il y a des bandes, une énergie de Fermi, etc... C'est de la physique du solide.

Le cas de la carotte est compliqué et je ne suis pas un expert... Comme je vois les choses : les carottes contiennent de la carotène. Ce sont des molécules complexes, des pigments. Si c'est le même principe que les autres pigments, ces pigments se trouvent "relativement" isolés dans une matrice de matière organique qui est, bah le reste de la carotte Ces pigments peuvent absorber certaines longueurs d'onde visible. Cette absorption est initialement une absorption électronique, c'est vrai. Ensuite cette excitation électronique est très très rapidement dissipée sous forme de chaleur dans la carotte.

En tout cas, c'est un mécanisme comme ça pour les peintures ou les pierres précieuses : des chromophores (des pigments) inclus dans une matrice qui donne lieu a des bandes d'absorption "relativement" étroites (attention, rien a voir avec des raies en phase gazeuse...) elle-même incluses (les bandes d'absorption) dans un continuum d'émission correspondant à la matrice elle-même.

[Sethy]

Le carotène contient un grand nombre d'alternance de simple et de double liaison, ce qui en fait ce que les chimistes appellent un système conjugué.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Carotè...a-carotene.png

Dans un tel système, les électrons "pi", des doubles liaisons, qui sont déjà les plus énergétiques vont pouvoir s'aligner et "fusionner" entre elles. Ici par exemple, ce que ça donne avec le butadiène qui compte 4 orbitales de ce type alors que dans le carotène il y en a 22 : https://files.mtstatic.com/site_4334...Y6AV4GI7A555NA

Note : Pour ceux qui sont familiers avec la corde vibrante, ils repéreront les différents modes de vibration.

La conséquence, c'est qu'au plus on mélange des orbitales compatible entre elles, au plus les niveaux d'énergie tendent à former des bandes comme le dit coussin comme on peut le voir ici : http://butane.chem.uiuc.edu/pshapley/GenChem2/B2/pi.gif

La conséquence est que le "gap" (l'écart entre la couche la plus haut en énergie remplie et la première couche vide) diminue et donc qu'au lieu d'avoir besoin de photons UV durs, au fur et à mesure qu'on multiplie les doubles liaisons on se rapproche du visible (comme dans le cas du carotène).

BTW, remarquons quand même que la transition du carotène est ... interdite

[iPhysics]

Ainsi, si j'ai bien compris et de manière grossière :

- Certes la décohérence touche nos électrons et ceux de notre monde macroscopique mais ce n'est pas un problème car :
- Les électrons restent sous leur forme fondamentale et c'est très bien ainsi : pour que l'électron fasse un saut quantique, il lui faudrait de toute manière interagir avec un photon plus énergétique que ceux que notre oeil perçoit (donc la lumière avec les couleurs).
- La couleur est en réalité due au fait que des molécules complexes (pigments), par interaction "fournissent" la couleur à l'objet.

Me trompe-je à nouveau ? Merci à vous pour vos réponses au jeune ignorant que je suis

[albanxiii]

Me trompe-je à nouveau ?

Je dirais comme Pauli : même pas faux. Il y a beaucoup de fausses conceptions, d'idées reçues et d'a priori dans vos propos. Il faudrait faire une rééducation complète en commençant par oublier tout ce que vous croyez savoir. On voit bien dans vos messages que vous vous accrochez à des choses fausses que vous pensez avoir comprises et que vous n'arrivez pas à vous en détacher.

Ça n'est clairement pas sur un forum qu'on va pouvoir vous réapprendre tout ce qu'il qu'il faudrait.

[Deedee81]

Salut iPhysics,

Un détail qui a son importance.

La décohérence diagonalise la matrice de densité réduite, transformant les états superposés en mélange statistique pour le système.
Mais la diagonalisation ne marche que pour une base bien déterminée. En fait, toute matrice de densité peut-être diagonalisée en choisissant convenablement la base.
Il est donc plus juste de dire que le système tend vers une base privilégiée où la matrice de densité est diagonale.

Quelle base ? Tout dépend de l'hamiltonien. On manque encore de théorèmes généraux dans ce domaine, mais on peut au moins le vérifier sur toute une série de cas type (tu trouveras ça facilement dans la littérature, dans ArXiv où je peux te donner mon cours de MQ). Et on constate que lorsque l'hamiltonien dépend de la distance typiquement en 1/r², la base privilégiée est alors la position. C'est ce qu'on constate pour les poussières, les tables, les chaines, les planètes,....

Mais pour des systèmes microscopiques comme un atome, l'hamiltonien a une forme différente et cela conduit à la base privilégiée énergie.

L'atome et ses électrons se décohère donc en états d'énergie bien définies et bien distincts : état de base, états excités....

L'interprétation classique des changements d'états excités d'un atome est donc validé par la décohérence ! On peut ignorer celle-ci et utiliser la formulation habituelle de la mécanique quantique appliquée à l'atome.

Pour le reste, désolé de le dire, mais les messages qui précèdent (les tiens), quel gloubiboulga : tu mélanges tout et n'importe quoi. Tu tatouille en quelques messages l'équivalent de deux mille pages de cours !!!! Quand on ne maîtrise pas, on arrive ainsi à n'importe quoi (exemple, tu dis que la couleur est due aux molécules complexes comme les pigments. C'est un fait que les pigments sont colorés, c'est pour ça qu'on les appelles des pigments. Mais si c'est juste, alors explique moi pourquoi le sodium atomique est d'un beau orange vif : ils sont où les pigments là ?)

Il faut voir les choses dans l'ordre. Même si ça prend beaucoup de temps (mais c'est pas grave, c'est passionnant).

On peut te conseiller ici pour les livres/cours (et tu peux déjà commencer par les bibliothèques virtuelles en tête des forums).

[iPhysics]

Le problème est aussi à savoir ce qui est bon ou non. En réalité, n'ayant lu que quelques centaines de pages à ce sujet, et n'ayant pour le moment qu'un niveau bac en maths (la rentrée va sûrement me faire du bien!!!), je n'ai eu que vulgarisation et pas de rigueur. C'est pour cela que j'essaie de démêler le vrai du faux (et du not even wrong, certes).

Pour essayer de résumé ce que j'ai pu lire avant ce post, j'avais vu dans des vidéos explicatives que les photons absorbés par nos atomes rendaient l'électron excité qui ainsi changeait de couche électronique (et pouvait se désexciter en allant faire des couches électroniques inférieures tout en envoyant des photons). Et que les différents atomes avaient besoin de certaines longueurs d'ondes électromagnétiques (donc photons) pour être dans un état excité et que les autres longueurs d'ondes se reflétaient jusqu'à nos yeux, ainsi voyons nous la couleur des objets telle qu'elle est, c'est à dire ayant juste "rejeté" la couleur que nous voyons.
Or dans un autre ouvrage, j'ai pu y lire que le fait de changer de couche électronique était un comportement quantique de l'électron. Seulement, je sais que la décohérence "estompe" les effets quantiques tels que la superposition des états quantiques.

En faisant une synthèse mentale de ce que j'ai lu, j'ai relevé ce problème.. Etant donné que vu la taille des choses qui nous entoure et que nous voyons (et donc dont nous distinguons la couleur), je suis tout de même à peu près sûr qu'il y a eu décohérence.. Ainsi, l'explication des couleurs absorbées dues à une sorte de "capacité d'absorption pour un changement de niveau d'énergie" soit serait faux, soit il ne ferait pas changer les électrons d'orbite, ou alors cela n'est en rien altéré par la décohérence..

Mon but est en quelque sorte de déterminer ce qui est faux et ce qui ne l'est pas (bien que je sois conscient que ce soit assez vulgarisé et donc très approximatif, mais je cherche à déceler ce qui est correct dans les grandes lignes). A ce que je vois tout à l'air d'être plus ou moins farfelu de A à Z dans ce que je viens d'expliquer

Je dois être franc, lorsqu'il s'agissait des pigments, je ne suis absolument pas calé sur le sujet (en MQ non plus mais j'ai quelques bases théoriques vues en cours avec l'effet photoélectrique, la dualité onde-corpuscule, le corps noir, la catastrophe ultraviolette,... Oui, je débute et ça se voit, mais je ne trouve pas d'ouvrages accessibles à mon niveau pour approfondir le tout..). Le message que j'ai laissé à propos des pigments, il ne résulte purement et simplement de l'interprétation que j'ai faite des messages dits plus hauts, alors bien sûr, c'est chaotique..

Je trouve cela passionnant, j'ai lu des choses très intéressantes, des expériences de pensée assez bluffantes comme le chat de Schrödinger ! Mais je n'ai vu pour le moment que le fonctionnement général des la mécanique quantique qui est très très complexe donc il est normal qu'une approche assez globale et non approfondie paraisse étrange.. Ainsi, je souhaite progresser et pour cela, j'aimerais chasser les idées reçues fausse et trouver un éclairage plus juste, mais je vous avoue qu'avec les différents messages postés (que je ne dénigre en rien), je suis un peu confus finalement.

En effet cela risque de prendre beaucoup de temps et je suis conscient de ne pas avoir les prérequis pour comprendre des explications trop détaillées, néanmoins je vous remercie de répondre à mes interrogations.