Analogie de l'atome

[Xohama]

Bonjour à tous
Je donne quelques cours particuliers niveau lycée et je cherche une métaphore visuelle simple pour expliquer pourquoi la matière paraît “solide” alors que l’atome est essentiellement vide.

J’avais pensé à comparer l’atome à une hélice qui tourne extrêmement vite : le centre représenterait le noyau, et les pales les électrons. À l’arrêt, il y a surtout du vide entre les pales, mais lorsqu’elle tourne très vite, on perçoit une surface quasi continue et on ne peut plus “passer à travers”.

Je sais bien que les électrons ne tournent pas littéralement comme ça autour du noyau, mais est-ce que cette image vous paraît acceptable comme représentation mentale simplifiée du nuage électronique / de la probabilité de présence ?

Merci !
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[bibifikotin]

Bjr à toi, Là tu mélanges .... illusion d'optique (hélice)
A grande vitesse on peut considérer (aussi) qu'il n'y a plus d'hélice.... puisqu'on ne peut la voir !!
Mes doigts s'en souviennent !!
Bonne journée

[stefjm]

C'est plus facile de considérer l'électron comme réparti sur une sphère de rayon de Bohr et qui provoque une répulsion électrostatique avec les autres électrons.

[Naalphi]

Essayer d'introduire une notion d'ordre de grandeur (genre le noyau serait gros comme une bille au milieu d'un terrain de foot, ou mouche dans une cathédrale) pourrait être un plus

[A voir en vidéo sur Futura]

[ThM55]

Je n'aime pas beaucoup cette image car elle n'éclaire rien du tout. Il est plus correct et plus respectueux des élèves d'invoquer les principes de base de la physique quantique appliquée à l'électron. On peut par exemple introduire le principe d'Heisenberg en donnant les ordres de grandeurs sur l'incertitude relative à la position et celle liée à la vitesse, sans pour autant aborder les maths qui sous-tendent ce sujet, qui ne sont pas du niveau lycée. La multiplication des petits nombres (avec la constante de Planck) est parfaitement abordable au lycée sans connaissances mathématiques avancées. Et cela montre que l'atome n'est PAS "essentiellement vide" puisque les électrons ne sont pas des minuscules petits points comme en physique classique, mais des nuages répartis. Ensuite pour expliquer les solides, cela devient plus clair. On peut par exemple comprendre la liaison covalente "avec les mains" en examinant la disposition des charges, la balance entre effets répulsifs et attractifs et en profiter pour parler du principe d'exclusion de Pauli. Il vaut mieux à mon avis introduire ces notions et faire jouer l'intuition en prévenant qu'il y a des maths plutôt difficile derrière, plutôt qu'inventer des analogies qui risquent d'induire en erreur. Pensez un peu à ce que pensera plus tard de votre cours un élève qui avancera dans des études de physique ou de chimie.

Ceci dit sous toutes réserves, car je ne suis pas enseignant et je ne connais pas les programmes de l'éducation nationale.

[titijoy3]

quand on essaie de rapprocher les deux mêmes pôles de deux aimants il y a pas mal de vide entre eux, pourtant on peut sentir la répulsion

par exemple deux aimants toriques genre aimants de magnétron qui représenteraient les atomes

[jacknicklaus]

Bonjour à tous
Je donne quelques cours particuliers niveau lycée et je cherche une métaphore visuelle simple pour expliquer pourquoi la matière paraît “solide” alors que l’atome est essentiellement vide.

ceci peut aider https://www.youtube.com/shorts/6YqTTgq14Dg

[albanxiii]

Bonjour,

Je n'aime pas beaucoup cette image car elle n'éclaire rien du tout.

Je partage totalement cet avis.

En parallèle au message de ThM55, il peut être intéressant de parler aussi de la façon dont la mécanique quantique est née. De mémoire c'est plutôt bien résumé dans les premiers chapitre du livres "Si Einstein avait su" d'Alain Aspect.
Le calcul du rayonnement du corps noir de Plank, l'expérience de Rutherford, le modèle de Bohr, la thèse de de Broglie. Puis l'équation de Schrödinger qui va tout unifier par la suite.
Si on arrive à donner l'intuition que les particules quantiques confinées se comportent comme des ondes, on peut expliquer pas mal de choses (en admettant que pour certains types de particules, les fermions, ces ondes ne peuvent pas se superposer).

[albanxiii]

ceci peut aider https://www.youtube.com/shorts/6YqTTgq14Dg

Je le trouve insupportable ce type ! Et en plus dans une vidéo je l'ai vu s'attribuer quelque chose dont on sait qu'il n'est pas l'auteur (malheureusement j'ai oublié quoi et quelle vidéo), ce genre de malhonnêteté intellectuelle a fini de me le rendre définitivement antipathique.

Mais bon, s'il peut aider à comprendre des choses...

[ThM55]

Il est devenu très populaire dans les médias belges. Il intervient même régulièrement dans une émission de conseils aux consommateurs de la RTBF (TV belge francophone) avec des expériences parfois spectaculaires effectuées en direct et dans un talk show (chaine LN24) où chacun donne son avis sur l'actualité (émission exaspérantes que je zappe systématiquement). Son côté clownesque doit être lassant après deux ou trois heures de cours, mais il a le mérite de populariser assez correctement des notions de physique et de chimie, donc ne critiquons pas trop.

Dans le cas présent, il explique la rigidité des solides par le principe de Pauli. Il a raison, mais c'est malheureusement incomplet. J'y ai d'ailleurs fait allusion dans mon message, mais pour que cela ait un sens il faut aussi expliquer pourquoi des électrons qui se rapprochent pourraient se retrouver en surnombre dans le même état quantique et pour cela on ne peut pas faire l'économie, au moins du principe d'incertitude et si possible de l'équation de Schrödinger. C'est difficile. D'ailleurs, pour prendre un autre exemple, il n'est pas si aisé d'expliquer à partir des équations pourquoi il y a des bandes d'énergie pour les électrons dans les métaux et semiconducteurs. La liaison covalente, que j'ai mentionnée plus haut, dépend aussi de l'électrostatique, pas uniquement du principe de Pauli. Mais je suis tout de même convaincu qu'au niveau lycée il est important de donner les vraies explications en précisant qu'elles sont incomplètes et qu'il est normal qu'elles soient difficiles à comprendre et suscitent d'autres questions.

[titijoy3]

le principe d'incertitude vient de la part "ondes" des particules, non ?

[ThM55]

le principe d'incertitude vient de la part "ondes" des particules, non ?

Cela dépend de la formulation adoptée, mais si on utilise la formulation non relativiste de Schrödinger, c'est bien le cas en effet: le lien entre la représentation en terme de coordonnées et celle en terme d'impulsion est une transformation de Fourier et on sait qu'il y a une telle relation entre paires de Fourier. Tout cela existe déjà dans les ondes classiques. Plus généralement, si on ne choisit pas une base de représentation particulière mais qu'on se place dans l'espace de Hilbert des états, la relation d'incertitude dérive de l'inégalité de Cauchy-Schwarz. C'est plus général mais cela n'apporte rien de neuf pour la physique de l'atome ou des molécules.

Dans le cas de l'atome, ce qu'on décrit sous la forme d'orbitales en chimie, ce sont des solutions stationnaires de l'équation de Schrödinger, parce qu'on considère des situations qui sont à l'équilibre, donc stationnaires. Mais un état stationnaire a une valeur fixe de l'énergie (une superposition d'états d'énergies différentes n'est pas stationnaire), ainsi que d'autres grandeurs comme le moment angulaire, et les maths (problème de Schrödinger pour les valeurs et fonctions propres) montrent que les électrons ne sont pas du tout localisés ponctuellement dans ce cas. On peut le comprendre en remarquant qu'une valeur fixée de l'énergie impose une contrainte sur les valeurs moyennes et les écarts types de la position et de l'impulsion. L'exemple le plus simple de ce fait est l'énergie minimale d'un oscillateur: elle se déduit immédiatement du principe d'Heisenberg.