COUCHES ÉLECTRONIQUES



PHYSIQUE QUANTIQUE CORPUSCULAIRE

1. Modèle de Dalton

2. Modèle de Thomson

3. Modèle de Rutherford

4. Modèle de Bohr

4.1. Postulats de Bohr

4.2. Quantification

4.2.1. Rayon de Bohr

4.2.2. Formule de Balmer

4.3. Modèles des atomes hydrogénoïdes sans entraînement

4.4. Modèles des atomes hydrogénoïdes avec entraînement

4.5. Hypothese du neutron

5. Modèle de Sommerfeld-Wilson

6. Modèle relativiste de Sommerfeld

6.1. Moment magnétique

6.1.1. Magnéton de Bohr

6.1.2. Nombre quantique magnétique

6.2. Spin

6.3. Principe d'exclusion de Pauli

7. Couches électroniques

Au cours des années 1920, Bohr, Stoner et d'autres conçurent un modèle de la structure électronique des atomes qui permet de comprendre le tableau périodique des éléments. Le travail de Moseley a permis de déterminer le nombre des protons dans le noyau et, comme l'atome est neutre, c'est aussi le nombre des électrons orbitaux. Il n'est pas simple de déterminer la structure atomique et dans cette analyse, les physiciens ont aidé par les expériences menées par les chimistes.

Ainsi, selon les chimistes les électrons occupent des couches et des sous-couches autour du noyau par ordre d'énergie croissante selon des règles associées à leurs nombres quantiques que nous avons déterminé précédemment. Ainsi, la "configuration électronique" est l'arrangement des électrons dans un atome, une molécule ou un autre corps. Précisément, c'est la position des électrons dans une orbitale atomique, moléculaire ou d'autres formes d'orbitales électroniques.

Remarque: Rigoureusement ce concept de "couche" comme pouvons nous l'imaginer visuellement n'a aucun sens si l'on se réfère aux résultats de la mécanique quantique (cf. chapitre de Physique Quantique Ondulatoire). C'est la raisons pour laquelle le débat qui consiste à savoir comment remplir les couches est stérile car il n'existe par rigoureusement sans une grossière approximation de règle générale.

Chaque couche correspond à une valeur spécifique du "nombre quantique principal" n et traditionnellement les couches sont désignées (cette tradition devrait être abandonnée... mais comme toutes les traditions elle a la peau dure...) par les lettres majuscules K, L, M, N, O,... correspondant aux nombres 1, 2, 3, 4, 5...que peut prendre le nombre quantique principale.

Le "nombre quantique secondaire/azimutal"  noté conventionnellement par la lettre l correspondant des états de dégénérescence que peuvent prendre les couches pour une valeur donnée de n tel que :

Pour la couche K (equation) nous avons une unique sous-couche comme :

equation   (41.225)

et ainsi pour la couche L (equation) nous avons deux sous-couches:

 equation   (41.226)

et ainsi pour M (equation) avons trois sous-couches:

 equation   (41.227)

et ainsi de suite...

Les chimistes ont pour habitude de noter les premières sous-couches par les lettres latines: 

s (sharp), p (principal), d (diffuse), f (fondamental)....

Qui sont l'équivalent alphabétique du nombre quantique secondaire l.

Le "nombre quantique magnétique" equation désigne donc la position de l'orbitale dans l'espace (au fait, il représente le vecteur directeur perpendiculaire à la surface de l'orbite décrite par l'électron). 

Ce dernier nombre prend, nous l'avons démontré, le double de la valeur qu'il y a de sous-couches par couche (effet Zeeman : doublement des raies) et puisque :

equation   (41.228)

Le "nombre quantique de spin" equation désigne le nombre de différentes valeurs que peut prendre le moment magnétique de l'électron sur une orbitale donnée. Evidemment, il ne peut prendre que deux valeurs qui correspondent au sens de rotation propre de l'électron par rapport à l'observateur et produit un dédoublement du doublement des raies (dédoublement Zeeman) :

equation   (41.229)

Définitions:

D1. Une "couche électronique" est un groupe d'états qui ont le même nombre quantique principal n.

D2. Une "sous-couche" est un groupe plus petit d'états qui sont caractérisés par les nombres quantiques de n et l.

D3. Une "orbitale" est précisée par les trois nombres quantique equation et elle peut contenir deux électrons l'un de spin haut et l'autre de spin bas.

D4. Un "état" est défini par les quatre nombres quantiques equation et contient un seul électron comme l'exige le principe d'exclusion.

Résumons sous forme de schémas ce que nous avons vu jusqu'à maintenant :

Prenons l'exemple equation:

equation
  (41.230)

Ainsi, le principe d'exclusion de Pauli permet qu'il y ait deux électrons sur la couche K.

Prenons l'exemple equation:

equation
  (41.231)

Ainsi, le principe d'exclusion de Pauli permet qu'il y ait 8 électrons sur la couche L.

Et ainsi de suite...

Sous forme d'atomes schématisés selon le modèle de Bohr, cela donne :

equation
  (41.232)

Sous une notation conforme à celle des chimistes, les configurations fondamentales de quelques éléments s'écrivent :

tableau
  (41.233)

Qui est une forme condensée du tableau équivalent suivant :

tableau
  (41.234)

Cependant, bien que le modèle relativiste de Sommerfeld soit d'une précision et d'une cohérence redoutable par rapport aux observations expérimentales, il n'explique pas certains phénomènes importants que nous observons à l'échelle de l'atome. Ainsi, ce modèle est dans l'incapacité d'expliquer la désintégration des éléments, le comportement duaire (complémentaire) de la matière entre onde et corpuscule, l'annihilation entre matière et antimatière et encore bien d'autres. 

Ce sont des développements beaucoup plus complexes et à la fois compatibles avec ce que nous avons vu qui vont être développés dans le chapitre suivant traitant de la Physique Quantique Ondulatoire permettant d'expliquer de manière parfaitement satisfaisant nombre de phénomène qui étaient inexpliqués à l'échelle du nanomètre.