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ATOMIQUE PHYSIQUE

La structure des atomes

La détermination de la structure des atomes résulte du remarquable travail des physiciens théoriciens qui ont construit la mécanique quantique, outil indispensable pour résoudre le problème très complexe des atomes ; les expérimentateurs ont éprouvé la validité de cette théorie en réalisant des expériences d'une très grande précision. Un atome est constitué d'un noyau, contenant l'essentiel de la masse, et d'un nombre d'électrons égal au numéro atomique. La question est alors de déterminer quelles sont les énergies possibles de l'atome et de comparer les fréquences des transitions entre les différents niveaux aux fréquences obtenues par des mesures spectroscopiques.

La structure dite « grossière ». Le tableau périodique

Le premier problème auquel ont été confrontés les physiciens atomistes a été de chercher à résoudre l'équation de Schrödinger pour un système formé de N électrons soumis à la force coulombienne attractive du noyau et à la force coulombienne répulsive qui s'exerce entre chaque paire d'électrons. Il n'existe pas de solution exacte à un aussi formidable problème, et toute l'intelligence des physiciens a été de rechercher des solutions approchées aussi précises que possible. L'idée générale a été d'imaginer une méthode de champ moyen, dans laquelle on suppose que chaque électron est soumis à une force moyenne due à l'attraction du noyau et à la répulsion des (N1) autres électrons ; cette « force » était supposée être dirigée vers le noyau. Une telle méthode, connue sous le nom d'approximation du champ central, a permis de trouver des valeurs approchées des énergies accessibles à chacun des électrons. Ces énergies εn,l dépendent de deux nombres quantiques, le principal n et l'azimutal l, qui peut prendre n valeurs comprises entre 0 et n1. Chacun des niveaux (n, l), dont l'énergie est εn,l, est appelé une couche. L'énergie totale de l'atome s'exprime alors comme la somme des énergies de chacun des électrons. Cependant, dans ce calcul, il faut faire intervenir le principe de Pauli, qui impose que deux électrons ne peuvent pas avoir l'ensemble de leurs nombres quantiques égaux. Chacun des électrons d'un atome est défini par un jeu de quatre nombres quantiques : les deux nombres n et l, énoncés ci-dessus, plus le nombre quantique magnétique mlet le nombre quantique de spinms. Sachant que mlpeut prendre (2l + 1) valeurs et qu'il y a deux valeurs possibles pour le nombre quantique de spin ms = + 1/2 ou — 1/2, chaque couche peut contenir au maximum 2(2l + 1) électrons. Il est d'usage chez les spectroscopistes d'identifier chaque couche par la valeur du nombre quantique n et par une lettre minuscule pour désigner l. Les couches pour lesquelles l = 0 sont dites (s) ; celles pour lesquelles l = 1, (p) ; l = 2, (d) ; l = 3, (f). Pour les valeurs plus grandes de l, on suit l'ordre alphabétique (g), (h), etc. Cette nomenclature provient de l'observation de séries de raies dans les premières expériences de spectroscopie sur des atomes alcalins (sodium, potassium...) : (s) est l'initiale de sharp, (p) de principal, (d) de diffuse, (f) de fundamental.

Les énergies εn,l dépendent relativement peu du choix du champ central, ce qui a permis d'établir une classification périodique des éléments. Si l'on ne considère, pour simplifier, que l'énergie la plus faible possible (énergie du niveau fondamental) d'un atome neutre, les Z électrons d'un atome de numéro atomique Z se distribuent sur les niveaux d'énergie εn,l, en commençant par le niveau le plus bas et en respectant le principe de Pauli. La liste des couches ainsi remplies est appelée configuration électronique fondamentale de l'atome. Par[...]

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Écrit par

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Média

Amedeo Avogadro

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Autres références

  • ASHKIN ARTHUR (1922-2020)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 1 271 mots
    • 1 média

    Le physicien américain Arthur Ashkin a reçu le prix Nobel de physique en 2018 pour ses « inventions révolutionnaires dans le domaine de la physique des lasers ».

    Né le 2 septembre 1922 à New York, au sein d’une famille d’origine juive ukrainienne, Ashkin a passé sa jeunesse dans le quartier...

  • ASPECT ALAIN (1947- )

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 1 156 mots
    • 1 média

    Lauréat du prix Nobel de physique 2022 (avec John Clauser et Anton Zeilinger), le Français Alain Aspect est un spécialiste de l’optique quantique, ce domaine de la physique qui sonde le comportement de la lumière dans des conditions extrêmes où la description classique du rayonnement électromagnétique...

  • ATOME

    • Écrit par José LEITE LOPES
    • 9 140 mots
    • 13 médias
    Ce ne fut qu'à la fin du xixe siècle que la notion d'atome comme particule indivisible fut mise en doute. Les expériences sur les décharges électriques dans les gaz raréfiés et l'étude des rayons cathodiques ont amené à la découverte de très légères particules, chargées électriquement, les ...
  • BOHR ATOME DE

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 369 mots
    • 1 média

    Deux ans après avoir soutenu sa thèse sur la théorie électronique des métaux, le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) écrit en 1913 trois articles fondamentaux qui révolutionnent la compréhension de la structure de la matière. Le premier, paru le 5 avril dans le Philosophical Magazine...

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