Modele atomique de la mecanique quantique

Le modèle planétaire de l`atome de Bohr est souvent ce qui colle dans l`esprit des élèves. Il fournit une image soignée et familière des électrons orbitant un noyau central comme des planètes autour du soleil. Pour cette raison, il peut être difficile de remplacer cette image par une qui représente plus fidèlement le modèle quantique-mécanique utilisé par les physiciens modernes: un atome avec un petit noyau avec des ondes de probabilité au lieu d`orbites pointus pour décrire la distribution de électrons, qui ont des positions floues mais des niveaux d`énergie définis. Néanmoins, les élèves devraient avoir un aperçu de ce modèle plus moderne. Les emplacements et les mouvements des électrons sont décrits par leurs vagues de matière. Ces schémas d`onde, qui sont écrits comme des équations quand ils sont trop difficiles à esquisser, prédire la probabilité de trouver un électron dans une région donnée de l`atome. Ils fournissent les cotes de Paris, jamais la certitude. Pourtant, le pari est utile: il prédit des niveaux d`énergie définis; Il explique la liaison chimique par les électrons; et, lorsqu`ils sont appliqués à des particules dans le noyau, ils expliquent non seulement les lois aléatoires connues de la radioactivité, mais prévoient également de nouvelles particules nucléaires. Bien que cette image distribue des électrons dans des Orbits nets, nettement définis, elle leur donne encore des niveaux d`énergie fixes.

Les électrons dans les niveaux d`énergie plus élevés sont plus susceptibles d`être trouvés dans les régions externes d`un atome, une certaine distance à partir du noyau. D`où vient ce modèle? Le modèle planétaire de Bohr avait commencé le processus d`introduction de la théorie quantique à la structure de l`atome (voir développement d`un modèle de l`atome: atomes radioactifs). Bohr introduisit l`idée d`États stationnaires dans lesquels l`atome était stable. Les transitions entre ces États expliquent l`existence de raies spectrales. Dans le cas de l`hydrogène, il a pu dériver des niveaux d`énergie: les transitions entre ses niveaux d`énergie prévus correspondaient aux lignes du spectre de l`hydrogène. Cependant, son modèle ne pouvait pas prédire les niveaux d`énergie pour tous les autres atomes (bien que ceux des métaux alcalins de type hydrogène pourraient être approximés). Il a fallu le travail de Heisenberg et Schrödinger à trouver séparément des façons de décrire plus complètement les niveaux d`énergie quantifiée des atomes. Heisenberg utilisait des matrices et Schrödinger développa une équation d`onde. Ce sont des solutions de l`équation de Schrödinger qui fournissent des images des densités de probabilité des électrons autour du noyau d`un atome. Quatre nombres, appelés nombres quantiques, ont été introduits pour décrire les caractéristiques des électrons et de leurs orbitales: en 1926, le physicien autrichien Erwin Schrödinger (1887-1961) a utilisé la dualité onde-particule de l`électron pour développer et résoudre un complexe équation mathématique qui décrivait avec précision le comportement de l`électron dans un atome d`hydrogène. Le modèle mécanique quantique de l`atome provient de la solution à l`équation de Schrödinger.

La quantification des énergies d`électrons est une exigence afin de résoudre l`équation. C`est à la différence du modèle de Bohr, dans lequel la quantification a été simplement assumée sans base mathématique. L`emplacement des électrons dans le modèle mécanique quantique de l`atome est souvent appelé nuage d`électrons. Le nuage d`électrons peut être pensé de la manière suivante: Imaginez placer un morceau de papier carré sur le sol avec un point dans le cercle représentant le noyau. Maintenant, prenez un marqueur et déposez-le sur le papier à plusieurs reprises, en faisant de petites marques à chaque point le marqueur frappe.