ATOME
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, l = 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 montrer que leurs énergies se rangent en ordre croissant pour les états suivants :
Hydrogène, hélium et lithium
Encyclopædia Universalis France
Dans l'atome d'hydrogène à l'état fondamental, les nombres quantiques de l'électron sont n = 1, l = 0, ml = 0 et ms peut avoir la valeur 1/2 ou — 1/2. Cet état est donc 2S1/2.
Des deux électrons de l'atome d'hélium, l'un occupe un état analogue à l'état fondamental d'hydrogène. L'autre électron a aussi les mêmes valeurs de n, l, m ; d'après le principe de Pauli, le nombre quantique ms du deuxième électron ne peut pas être égal à la valeur correspondante du premier électron. Les deux électrons de l'atome d'hélium auront donc leurs spins antiparallèles. L'état fondamental de cet atome sera donc 1S0, c'est-à-dire un état S (L = 0), avec J = 0, singulet. On indique souvent un tel état par la notation 1s2 : l'exposant indique le nombre d'électrons dans l'état individuel s avec la valeur de n = 1.
L'atome de lithium contient trois électrons qui se meuvent autour d'un noyau à trois charges positives. Deux de ces électrons forment une configuration analogue à celle de l'atome d'hélium. Selon le principe de Pauli, le troisième électron ne pourra pas avoir son nombre quantique principal n = 1. La valeur de n3 sera n3 = 2. Par conséquent, l3 peut être égal à 0 ou 1 : l3 = 0,1. L'expérience seule peut indiquer laquelle de ces deux valeurs est à retenir. Comme l'on a trouvé que l'état fondamental du lithium est 2S1/2, il s'ensuit que le troisième électron[...]
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Écrit par
- José LEITE LOPES : professeur de physique nucléaire, université Louis-Pasteur, directeur du groupe physique théorique et hautes énergies du Centre de recherche nucléaire de Strasbourg
Classification
Médias
Composants de base de l'atome
Encyclopædia Universalis France
Modélisation de l'atome d'uranium
DeAgostini/Getty Images
Max Planck
Hulton Archive/ Getty Images
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