ATOME

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Atome et classification périodique

Le Hamiltonien d'un atome à Z électrons peut être écrit sous une forme approximative telle que ses fonctions propres – les orbitales atomiques – soient déterminées par les quatre nombres quantiques de chaque électron A :

Si un tel atome se trouve à l'état fondamental, tous ses électrons doivent être dans un état dont l'énergie est la plus basse possible. La spectroscopie montre que l'état fondamental d'un grand nombre d'atomes n'est pas un état S dans lequel on aurait nA = 1, lA = 0 pour tous les électrons A = 1, 2, ..., Z. Ainsi, l'état fondamental de l'atome d'oxygène est 3P2, où la lettre P correspond à la valeur L = 2, l'indice inférieur à droite est la valeur de J, l'indice supérieur à gauche indique la multiplicité de l'état : 2 S + 1 (donc S = 1).

Comme l'état 1S (n = 1, = 0) est l'état de plus basse énergie dans l'atome d'hydrogène, ce fait indique que dans un atome à plusieurs électrons la distribution obéit à une loi nouvelle qui doit être incorporée à la mécanique quantique. Un autre indice de l'existence d'une telle loi est la périodicité des propriétés chimiques et spectroscopiques des atomes.

C'est pour expliquer tous ces faits que Wolfgang Pauli a formulé en 1925 le principe d'exclusion. Il avait remarqué que l'état fondamental de l'ortho-hélium n'est pas l'état 3S1 correspondant aux valeurs des nombres n1 et n2 des deux électrons égales à 1. L'analyse spectrale a révélé qu'une propriété semblable était observée pour d'autres atomes, à savoir que certains états permis par la théorie n'existent pas physiquement. Pauli a ainsi découvert que tous les états dans lesquels les quatre nombres quantiques de deux électrons coïncident n'existent pas. Et il a alors donné comme un postulat fondamental pour les électrons, et toutes les particules à spin 1/2, l'énoncé suivant : deux électrons quelconques ne peuvent jamais occuper le même état quantique.

Le principe de Pauli permet d'interpréter la classification périodique des éléments.

Dans l'approximation des orbitales atomiques, on peut montre [...]


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Composants de base de l'atome

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Modélisation de l'atome d'uranium

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Écrit par :

  • : professeur de physique nucléaire, université Louis-Pasteur, directeur du groupe physique théorique et hautes énergies du Centre de recherche nucléaire de Strasbourg

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Pour citer l’article

José LEITE LOPES, « ATOME », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 14 octobre 2020. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/atome/