8 : Structure atomique
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Dans ce chapitre, nous utilisons la mécanique quantique pour étudier la structure et les propriétés des atomes. Cette étude présente des idées et des concepts nécessaires pour comprendre des systèmes plus complexes, tels que les molécules, les cristaux et les métaux. À mesure que nous approfondissons notre compréhension des atomes, nous nous appuyons sur des éléments que nous connaissons déjà, tels que le modèle nucléaire de l'atome de Rutherford, le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène et l'hypothèse des ondes de De Broglie.
- 8.1 : Prélude à la structure atomique
- NGC1763 est une nébuleuse d'émission située dans la petite galaxie connue sous le nom de Grand Nuage de Magellan, qui est un satellite de la Voie lactée. La lumière ultraviolette des étoiles chaudes ionise les atomes d'hydrogène de la nébuleuse. Lorsque les protons et les électrons se recombinent, des radiations de différentes fréquences sont émises. Les détails de ce processus peuvent être correctement prédits par la mécanique quantique et sont examinés dans ce chapitre.
- 8.2 : L'atome d'hydrogène
- Contrairement au modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène, l'électron ne se déplace pas autour du noyau du proton selon une trajectoire bien définie. En effet, le principe d'incertitude rend impossible de savoir comment l'électron passe d'un endroit à un autre. Un atome d'hydrogène peut être décrit en fonction de sa fonction d'onde, de sa densité de probabilité, de son énergie totale et de son moment cinétique orbital. Les nombres quantiques d'un atome d'hydrogène peuvent être utilisés pour calculer des informations importantes sur l'atome.
- 8.3 : Moment dipolaire magnétique orbital de l'électron
- Un atome d'hydrogène possède des propriétés magnétiques car le mouvement de l'électron agit comme une boucle de courant. Les niveaux d'énergie d'un atome d'hydrogène associés au moment cinétique orbital sont divisés par un champ magnétique externe parce que le moment magnétique angulaire orbital interagit avec le champ. L'énergie potentielle de l'atome d'hydrogène associé à cette interaction magnétique est donnée par\(U = -\vec{\mu} \cdot \vec{B}\).
- 8.4 : Spin des électrons
- Le quantum du moment cinétique de spin d'un électron est = +½. Le nombre quantique de projection du moment cinétique de spin est ms =+½ ou −½ (spin vers le haut ou vers le bas). L'énergie du système électron-proton est différente selon que les moments sont alignés ou non. Les transitions entre ces états (transitions spin-flip) entraînent l'émission d'un photon.
- 8.5 : Le principe d'exclusion et le tableau périodique
- La structure et les propriétés chimiques des atomes s'expliquent en partie par le principe d'exclusion de Pauli : deux électrons d'un atome ne peuvent pas avoir les mêmes valeurs pour les quatre nombres quantiques (n, l, m, ms). Ce principe est lié à deux propriétés des électrons : tous les électrons sont identiques et ont un spin semi-intégral (s=1/2).
- 8.6 : Spectres atomiques et rayons X
- Le rayonnement est absorbé et émis par des transitions de niveau d'énergie atomique. Les nombres quantiques peuvent être utilisés pour estimer l'énergie, la fréquence et la longueur d'onde des photons produits par les transitions atomiques. Les photons X sont produits lorsqu'une lacune dans la couche interne d'un atome est comblée par un électron provenant de l'enveloppe externe de l'atome. La fréquence du rayonnement X est liée au numéro atomique Z d'un atome.
- 8.7 : Lasers
- Un laser est un appareil qui émet une lumière cohérente et monochromatique. La lumière laser est produite par inversion de population et désexcitation ultérieure des électrons dans un matériau (solide, liquide ou gazeux). Lorsqu'un photon d'énergie déclenche une chute d'énergie d'un électron à l'état métastable en émettant un photon supplémentaire, il provoque une émission stimulée.
Vignette : Le couplage spin-orbite est l'interaction entre le moment\(\vec{\mu}_s\) magnétique de spin d'un électron et son moment magnétique orbital\(\vec{\mu}_l\).