L’atome en pièces détachées par M RIO André

M André RIO
M André RIO

                               L’atome en pièces détachées

 

Chaque atome est constitué d’un noyau, formé lui même de protons positifs et de neutrons et entouré d’un nuage d’électrons de charge opposée en nombre égal à celui des protons. L’atome est neutre. Il existe une analogie entre l’atome et une planète avec son satellite. Dans un cas, c’est la gravité qui maintient l’ensemble, dans l’autre la charge électrique.

Planète et satellite                    Atome d’hydrogène ( 1 proton ; 1 électron )

 

Force centrifuge : f = G M m    / r2                               f = ε e2/ r2

Force centripète           f = 1 /2 m v2                            f = 1 / 2 m v2

G : constante de la gravité  M : masse de la planète  m : masse du satellite

e : charge de l’électron  : , m, sa masse     ε  constante de l’attraction électrique

dans les deux cas, la vitesse v  est liée au rayon  r de l’orbite.

Il faut remarquer que e est très grand et G très petit. Une autre différence fondamentale apparaît, car l’électron est soumis aux lois de la physique quantique. Sauf au moment où il interagit avec la matière il n’est pas bien localisé ; ce n’est pas une petite bille mais une onde diffuse dont la longueur d’onde est liée à son orbite, comme une corde vibrante dont la longueur d’onde dépend de sa longueur. L’équation de Schrödinger permet de définir les différentes possibilités. ( voir page 3 ). Il existe donc un nombre limité d’orbites, selon le nombre d’électrons, qui constituent des couches successives qui sz dédoublent en sous-couches à mesure qu’on a des atomes de plus en plus lourds. La longueur d’onde de l’électron sur son orbite est

l = h / m v       où h est la constante de Planck, clé de la physique quantique, m la masse et v la vitesse de l’électron. De plus, l’électron étant un fermion, il ne peut en exister qu’un seul sur chaque couche ou sous-couche (les bosons au contraire peuvent s’entasser sans contrainte) . Finalement, c’est l’équation de Schrödinger qui permet de déterminer toutes les couches et sous- couches possibles. La lettre psi est la fonction d’onde qui représente la situation de l’électron.

Les conséquences.

            Aux différentes couches et sous-couches correspondent 4 nombres quantiques :

n : fondamental de valeurs entières successives : 1, 2, 3, …

l : secondaire (orbites elliptiques)  0, 1, 2, 3 : …

m : magnétique : valeurs positives, nulle ou négatives –1 ; 0 , + 1…

s : spin  + 1/ 2 ou – 1 / 2

A chaque combinaison de ces quatre nombres correspond une orbite et un niveau d’énergie. La classification périodique des éléments est la conséquence de cette structure ; les éléments sont classés par masses croissantes : un élément possède un proton et un électron de plus que celui qui le précède, et aussi un nombre variable de neutrons, La dernière couche peut comporter de 1 à 8 électrons, mais à partir de n = 4, une nouvelle couche à 8 électrons commence à se remplir, alors que la couche 3 est encore incomplète et se remplit ensuite avec les éléments dits de transition. La cinquième couche comporte de plus 14 électrons correspondant aux lanthanides ou terres rares.            La couche la plus externe comportant 8 électrons au plus (électrons de valence, ces électrons sont mis en commun entre deux atomes, ce qui crée entre eux une liaison chimique, 2 électrons pour une liaison simple 4 pour une liaison double et 6 pour une liaison triple. La valence est le nombre de liaisons que peut contracter un atome. Ainsi le sodium, qui ne possède qu’un électron sur sa couche externe, ne peut se lier qu’une fois, tandis que le chlore, qui en possède 7, peut se lier 1,3,5 ou 7 fois.

Emission et absorption de lumière.

Un atome excité par un choc électrique, un photon ou une température élevée absorbe de l’énergie qui fait passer un électron périphérique de son niveau normal à une couche supérieure libre. Il retombe à son niveau initial en libérant cette énergie sous forme de lumière, un photon dont la fréquence (ou la longueur d’onde) correspond à cette énergie.

E = h n

Le spectre caractéristique d’un élément correspond à une série de sauts possibles. Il peut servir à identifier l’élément et ses différents niveaux d’énergie.

Exemple, la raie double du sodium à 588,99 et 589,59 nanomètres qui donne une lumière jaune.

Les constantes qui assurent l’existence de la matière.

            G : constante de la gravité = 6,672 . 10-11 SI (système international)

C : vitesse de la lumière.

K :constante de Boltzmann = 1,38 ; 10 –23                         K = R/N

                R ; constante des gaz parfaits = 8,04 joules

N : nombre d’Avogadro (nombre d’atomes dans un gramme d’hydrogène)                 = 6,02 ; 10 23 

                h : constante de Planck = 6,61 . 10 –23

Masse de l’électron : 0,9. 10 –30 kg  ou  0,511. 10-3 Gev (giga electronvolt )

Charge de l’électron : 1,6 10 –19 coulomb

e : constante de l’attraction électrique = 9 ;109

Masse du proton : 1,6, 10-27  kg    ou 938 Gev

Masse du neutron : 0,940 Gev.

Toutes ces constantes, et quelques autres, sont telles qu’il existe de la matière stable composée d’atomes stables. Est-ce un hasard ou le résultat d’une sélection ?

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