ATOME
Atomes et forces atomiques
Tous les atomes et molécules neutres, suffisamment éloignés l'un de l'autre, s'attirent avec une force dont l'énergie potentielle varie comme l'inverse de la sixième puissance de la distance mutuelle. Ce sont les forces d'attraction de Van der Waals, responsables de la cohésion des atomes des liquides ou des gaz rares solidifiés, par exemple dans les cristaux moléculaires d'hydrogène solide.
Ces forces résultent de l'action que le système de charges d'un atome ou molécule neutre produit sur celui d'un autre atome ou molécule. La théorie classique a permis une description intuitive des forces d'attraction de Van der Waals ; on a ainsi classé ces interactions en différents types : a) attraction « dipôle-dipôle », qui agit entre les molécules polaires (possédant un moment électrique dipolaire permanent) ; b) attraction « polarisabilité-polarisabilité », entre les atomes et les molécules neutres et symétriques, c'est-à-dire homopolaires ; c) attraction « dipôle-polarisabilité », entre une molécule polaire et un atome sphériquement symétrique.
La théorie complète de ces forces a été formulée en mécanique quantique. Un modèle simple du système des forces de Van der Waals a été développé à cet égard par London. Cet auteur a étudié les forces qui se produisent entre deux oscillateurs linéaires constitués chacun d'une charge négative vibrant autour d'une charge positive très lourde elle-même en repos. Pour des distances entre les centres des deux oscillateurs, R, très grandes en comparaison avec les dimensions de chaque oscillateur, il apparaît que l'énergie du système se compose de la somme des énergies du point zéro des deux oscillateurs et d'un terme additionnel négatif et inversement proportionnel à la sixième puissance de R.
Quand il y a superposition des nuages de charge de deux systèmes atomiques, des forces d'un autre type entrent en action. Dans le cas de deux couches atomiques saturées, fermées, dans le sens du principe de Pauli, qui se superposent, une force de répulsion très intense apparaît : c'est la force de répulsion moléculaire dont l'énergie potentielle, sous la forme dite de Lennard-Jones, pour les molécules sphériques, varie comme l'inverse de la puissance onzième de la distance intermoléculaire.
Interactions moléculaires
Encyclopædia Universalis France
En raison de l'action des forces d'attraction et de répulsion de Van der Waals, l'énergie potentielle de molécules sphériques est représentée par la courbe de la figure, en fonction de la distance moléculaire.
Quand les fonctions d'onde de deux atomes (à couches électroniques non saturées) entrent en superposition, un autre type de forces agit entre les deux systèmes : ce sont les forces de liaison chimique.
Hydrogène : molécule
Encyclopædia Universalis France
La liaison chimique homopolaire est déterminée par une paire d'électrons tels que chacun de ces corpuscules peut être regardé comme appartenant aux deux systèmes ; si l'énergie du système formé est plus petite que la somme des énergies des deux atomes séparés, le couple d'électrons donnera lieu à une molécule stable. L'exemple le plus simple est celui de la molécule d'hydrogène. Si deux atomes A et B sont très éloignés l'un de l'autre, on peut envisager isolément chacun des électrons de ces atomes. Quand les deux atomes sont très proches, un quelconque de ces deux électrons est attiré non seulement par le noyau de l'atome A mais aussi par celui de l'atome B. On peut alors montrer qu'un tel système peut avoir deux états ; un de ces états, l'état de liaison chimique, possède une énergie qui présente un minimum quand on fait varier la distance entre les deux noyaux A et B. Dans cet état, les deux électrons sont couplés de telle façon que leurs spins sont antiparallèles. On dit que ces spins sont saturés. De cette façon, l'on comprend la définition de la valence d'un atome[...]
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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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