les orbitales en mécanique quantique

[Seirios]

Salut à tous,
j'ai lu qu'en physique quantique, les orbitales représentaient différents niveau d'énergie. Elles s'appliqueraient aux électrons et aux nucléons à l'intérieur du noyau atomique. Mais il était également explicité que ces orbitales (par exemple pour les nucléons) ne représentaient pas la distance des objets concernés par rapport au centre de l'atome.
Voici donc mes questions :
J'ai été étonné qu'ils disent que les orbitales ne représentaient pas la distance par rapport au centre de l'atome, parce que par exemple pour les électrons, plus ceux-ci sont éloignés du noyau plus ils sont énergétiques. Donc les orbitales représentent bien la distance de l'électron au centre atomique. Mais comment cela se passe-t-il pour les nucléons ? Comment sont-ils organisés dans le noyau ?
D'ailleurs j'ai du mal à comprendre pourquoi un électron situé sur la couche la plus extérieure est plus énergétique qu'un autre situé sur la couche la plus intérieure. En effet, la force d'attraction du noyau sur l'électron est moins importante si l'électron est éloigné, et comme cette attraction représente la force centripète de l'électron, ne devrait-il pas être moins énergétique qu'un autre sur des couches inférieures ?
Merci d'avance
Phys2
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[invitebeb55539]

Salut.

Je suis nul en physique, mais comme personne ne répond, j'ai peut être une explication . Le fait que les électrons les plus éloignés sont dans des orbitales de plus hautes énergies alors qu'ils sont moins fortement liés, viendrait du fait que l'énergie de liaison est négative .
Bonne continuation.

[Coincoin]

Salut,
DaoLoNg WoNg a raison : l'énergie de liaison est négative, la preuve les atomes sont stables.
Par exemple, pour un atome d'hydrogène, l'énergie d'une couche est donnée par : . Tu vois que plus on s'éloigne, plus la force de liaison est faible et l'énergie de liaison tend vers 0.

[Seirios]

Mais dans le cas des électrons, que représente l'énergie de liaison ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Coincoin]

L'énergie de liaison, c'est la différence d'énergie entre un électron proche du noyau et un électron à l'infini.
L'énergie étant plus faible proche du noyau (attraction coulombienne), elle est négative. Tu gagnes de l'énergie à faire une liaison.

[Seirios]

Mais là on tourne en rond : un électron sur une couche inférieure est moins énergétique qu'un électron sur une couche extérieure parce que les électrons possèdent une énergie de liaison négative, et cette énergie négative résulte du fait que l'énergie d'un électron près du noyau est moins importante qu'un autre éloigné du noyau
Je m'embrouille ou bien il y a une autre explication ?

[Coincoin]

Non, l'énergie est négative car l'électron est attiré électrostatiquement par le noyau.

Si tu prends un satellite qui tourne autour de la Terre, c'est pareil. Son énergie est plus faible quand il est proche de la Terre. L'énergie nécessaire pour passer de la surface de la Terre à l'infini correspond à la "vitesse de libération".

[invité576543]

Mais là on tourne en rond : un électron sur une couche inférieure est moins énergétique qu'un électron sur une couche extérieure parce que les électrons possèdent une énergie de liaison négative, et cette énergie négative résulte du fait que l'énergie d'un électron près du noyau est moins importante qu'un autre éloigné du noyau
Je m'embrouille ou bien il y a une autre explication ?

Bonjour,

1) L'énergie est constante

2) Il faut donner de l'énergie pour ioniser, c'est à dire pour virer l'électron à l'infini.

Donc, l'énergie avant l'ionisation est négative par rapport au système composé de l'ion et de l'électron loin l'un de l'autre!

Plius généralement, toute combinaison stable a moins d'énergie que les éléments la composant et éloignés les uns des autres. Parce qu'a contrario, une combinaison ayant plus d'énergie que le cas éloigné peut (avec quelques réserves...) spontanément se désintégrer en éloignant les composants et en éjectant l'énergie en trop.

Cordialement,

[invite4613cb39]

J'ai été étonné qu'ils disent que les orbitales ne représentaient pas la distance par rapport au centre de l'atome, parce que par exemple pour les électrons, plus ceux-ci sont éloignés du noyau plus ils sont énergétiques. Donc les orbitales représentent bien la distance de l'électron au centre atomique.

Bonjour,
L'analogie entre orbitale et distance de l'électron au noyau n'est valide que pour les premières couches électroniques. En effet les orbitales représentent plutôt la probabilité de présence de l'électron dans l'espace environnant le noyau. Pour les premières couches électroniques, cette probabilité de présence est à symétrie sphérique et l'analogie avec la distance au noyau est donc valable. Mais pour les couches électroniques supèrieures (à partir de la couche d me semble-t-il), ou si l'atome est lié, cette symétrie est brisée.

[Seirios]

Merci à tous pour vos réponses, mais je ne n'arrive pas à comprendre pourquoi l'énergie d'un électron sur une couche extérieure serait plus énergétique qu'un électron sur une couche inférieure . Parce que quand j'essaie de faire le bilan énergétique de deux électrons sur des couches différentes, je trouve que c'est l'électron sur la couche inférieure qui est le plus énergétique .
Quelle énergie différencie deux couches différentes ? (énergie cinétique, énergie potentielle,...)
Merci d'avance
Phys2

[Seirios]

D'ailleurs ça me fait penser à quelque chose, l'énergie potentielle d'un électron est plus importante si celui-ci est placé sur une couche extérieure. C'est cette énergie qui fait la différence ?

[philou21]

Bon, reprenons à la base… prends une charge positive et une charge négative, quelle est pour toi la configuration la plus stable avec ces deux charges ?

[Seirios]

Je dirais que la charge négative tourne autour de la charge positive, comme dans les atomes. La masse n'est pas précisée, mais comme on n'est dans le cadre d'un atome, la masse de l'électron est très faible par rapport à celle du noyau, donc ça rend la description plus simple.
Si ce n'était pas le cas, la charge positive tournerait autour de la charge négative si les masses auraient été échangées, et ils se tourneraient mutuellement autour si la différence entre leur masse n'était pas énorme.

[philou21]

Non l'état de plus basse énergie est pour une distance nulle entre les deux charges, puisqu'elles s'attirent …
(si tu lâches un caillou, l’état de plus basse énergie c’est quand il est sur le sol).

Toutes tentative d’écarter ces charges te coutera de l’énergie, c’est pourquoi plus l’électron est loin du noyau plus son énergie sera élevée. On prend donc comme limite zero quand l’électron est à l’infini, l’énergie de l’électron lié au noyau est donc comptée négativement.

Prends par exemple un satellite, c’est exactement la même chose :
Son énergie est la somme d’une énergie cinétique et d’une énergie potentielle :
E = 1/2 mv² –GmM/R
M : masse de la terre, m : masse du satellite.
On montre que pour une orbite circulaire v² = GM/R

Donc E = -GmM/2R, cette énergie est négative donc plus R est grand plus elle est élevée.
Ca parait logique, il faut fournir plus d’énergie pour satelliser sur une orbite stationnaire (36000 Km) que pour envoyer le satellite dans la banlieue de la terre à 200 Km…

[Seirios]

C'est bizarre parce que quand on le dit ça parait évident
Merci !