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Patrick CHAQUINLaboratoire de Chimie ThéoriqueUMPC (site d’Ivry)
01 44 27 36 72 (rare)01 44 27 21 69 (plus souvent)
[email protected](le mieux)
Les « rayons cathodiques » : découverte des électrons
Expérience de Rutherford : la matière est concentrée sousla forme de « noyaux » chargés positivement
Constituants de l’atome
Noyau
A nucléons
Z protons : masse mp charge e (A – Z) neutrons : masse mn charge 0
Électrons masse m charge -e
mp ≈ mn = 1,67 10-27 kg ≈ 1800 m
m = 9,11 10-31 kg
e = 1,60 10-19 C (coulomb)
XAZNombre de protons
Nombre de nucléons Symbolechimique
Z définit l’élément de symbole X
Z et A définissent un nucléide
Deux nucléides (Z, A) et (Z, A’) sont isotopes
Radioactivité
)He( αThU 242
23490
23892
Emission
Emission
- : un neutron est transfomé en proton : n p+ + e-
)(e βPaTh -23491
23490
Emission
Noyau « excité » noyau « fondamental »
+ : un proton est transfomé en neutron : p+ n + e+
Quantité de matière ; la mole
Nombre N d’atomes contenus dans 0,012 kg (12 g) de carbone
N = 0,012
12 u (kg)= 6,022 1023
N particules d’une espèce donnée (atome, molécule, ion …) contiennent une quantité de matière n = 1 mol de cette espèce.
Un nombre N quelconque de particules contient
n = N
NA
moles NA = 6,022 1023 mol-1
Nombre d’Avogadro
Constante d’Avogadro
Modèle de Rutherford de l’atome d’hydrogène
r
v
m-e
+e F
hmax
2
04
1
2
11e
rE
0
E
r
E
r 0
01 arE
02 4arE
03 9arE
2
002 4
1
2
11e
anE
Energie de HModèle de Rutherford Atome réel
hmax
n = 1
n = 2
n = 3
Origine des « séries » du spectre d’émission de H
n
Nombres quantiques atomiques
• n = 1, 2, ….∞ nombre principal (couche)
• l= 0, 1, 2, …n-1 ; secondaire (sous-couche)
• ml = [-l, +l] ; magnétique (ou m)
n, l, ml « case quantique »
n
1
2
3
4
l 0(s)
1(p)
2(d)
3(f)
0
0 -1 0 +1
-1 0 +1
-1 0 +1
0
0
-2 -1 0 +1 +2
-2 -1 0 +1 +2 -3 -2 -1 0 +1+2 +3 ml
3s
2s
1s
4s
2p
3p
4p
3d
4d 4fml
ml
ml
En
v
i-e
« aiguille aimantée »Aimantation proportionelle à l
l
Le nombre quantique let propriétés magnétiques associées
Champ magnétique B
l = 1
ml = 1
ml = 0ml = 1
n = 2, l =1
n = 1, l = 0
ml = -1
ml = 0
ml = -1
B = 0 B
Le nombre ml. Modification du spectresous l’action d’un champ magnétique B
-e
« aiguilleaimantée » Spin s
ms = -1/2
ms = 1/2
Le spin. Propriétés magnétiques intrinsèques de l’électron
n
1
2
3
4
l 0(s)
1(p)
2(d)
3(f)
0
0 -1 0 +1
-1 0 +1
-1 0 +1
0
0
-2 -1 0 +1 +2
-2 -1 0 +1 +2 -3 -2 -1 0 +1+2 +3 ml
3s
2s
1s
4s
2p
3p
4p
3d
4d 4fml
ml
ml
En
ms = 1/2 ms = - 1/2
Electron 1s l = 0 ; m = 0
Simulation de la superposition de « photographies » d’un électron 1s
zElectron 2pz l = 1 ; m = 0
Simulation de la superposition de « photographies » d’un électron 2p
Courbes d’isodensités électroniques de l’atome d’hydrogène
1s
2s
2p
Electron 1s l = 0 ; m = 0
« Volume de localisation principale» d’un électron 1s
zElectron 2pz l = 1 ; m = 0
« Volume de localisation principale» d’un électron 2pz
2s
2px 2py 2pz
1s
xy
zVolumes de localisation calculés
A xy
z
2pz
2px 2py
2s
Représentation conventionnelle des orbitales dela couche n = 2
n est lié à la « taille » du volume de localisationl est lié à sa « forme »ml est lié à son orientation spatialeNoir/blanc signifie changement de signe de (x,y,z)
NB photons/s/m2
A B
NA photons/s/m2
IA E0(A)2
E = E0(A) cos(t + ) E = E0(B) cos(t + )
IB E0(B)2
E0(X)2 traduit la densité de photons en X etla densité de probabilité d’un photon unique
L’intensité lumineuse I selon les aspects corpusculaire et ondulatoire
IA NA IB NB
Analogie formelle photon-particule matérielle (électron) :double aspect corpusculaire/ondulatoire
photon
ondecorpuscule
électron
densité de probabilitéen un point M(x,y,z)
E = h(énergie)
tEE 2cos0
m, v t2cos
mv
h
),,(20 zyxE
),,(2 zyx
Limite de l’analogie : 0E
champ électrique, toujours > 0 pas d’interprétation physique, > 0 ou <0
est appelée fonction orbitale ou orbitale
Atomes « hydrogénoïdes »
Ze
-e
Ion formé d’un noyau et d’un seul électron
Ex : He+, Be3+, C5+
2
2
00
22
2 4.
1
2
1
n
ZR
a
eZ
nE yn
