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 (N — 1) 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 n — 1. 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
- Philippe BOUYER : chargé de recherche au C.N.R.S.
- Georges LÉVI : maître de conférences
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