Pourquoi les èlectrons tournent autour du noyau sans jamais le toucher?

Question

Puisque les èlectrons ont une charge negative et les protons positive, ils sont supposés se rapprocher, pourtant dans la structure lacunaire il y'a toujours un vide je me demande ce que peut bien être la raison de celà.

Answer 1

Je viens de lire beaucoup de choses intéressantes sur la nature des électrons et beaucoup de choses fausses comme par exemple la répulsion entre des espèces de charges opposées (la longueur de Debye n'a absolument rien à voir avec le problème posé).

Pour répondre cette très bonne question, j'hésite entre faire plus ou moins compliqué suivant le bagage de chacun... je vais tâcher de faire entre les deux !

Comme vous le savez sans doute, le modèle quantique de l'atome consiste le décrire par une fonction d'onde Psi (grandeur scalaire) renfermant toutes l'information le concernant. Cette fonction d'onde est solution de l'équation de Schrödinger H(Psi) = E*Psi. Cette équation est impossible à résoudre littéralement, mais il est possible, en faisant diverses approximations, de se ramener à des cas très simples pour lesquels on connaît des solutions.

A l'arrivée, on en vient à étudier chaque électron séparément. A chaque électron correspond une fonction d'onde Phi dite monoélectronique qui contient toute l'information le concernant. En particulier, le carré de la fonction d'onde est égal à la densité de probabilité de l'électron. Autrement dit, la probabilité de trouver l'électron dans un volume dV donné est égale à Phi²*dV.

Les solutions de l'équation de Schrödinger monoélectronique portent le nom d'Orbitales Atomiques (OA). Chaque OA a une énergie (c'est le E qui apparaît dans l'équation de Schrödinger) et a une forme bien particulière.

Parlons tout d'abord des niveaux d'énergie : vous le savez sûrement, ces niveaux sont quantifiés et dépendent d'un nombre quantique n dit nombre quantique principal. n est un entier positif. Pour l'atome d'hydrogène, l'énergie de l'OA de nombre quantique n est égal à En = -13,6/n².

Ensuite, parlons de la forme des orbitales : elle dépend d'un deuxième nombre quantique l dit nombre quantique azimutal. Il correspond au moment cinétique de l'électron (analogie classique : un satellite tournant autour d'une planète possède un moment cinétique proportionnel à sa masse et à l'inverse du carré du rayon de son orbite). Le nombre l est un entier positif ou nul compris entre 0 et n -1. Selon la valeur de l (0, 1, 2, 3) on parle d'orbitale s, p, d ou f.

Si vous êtes arrivés là, le plus dur est fait. A présent, on va pouvoir parler enfin de ce qui nous intéresse...

Je rappelle que chaque orbitale est une fonction d'onde dont le carré donne la densité de probabilité de trouver l'électron occupant cette orbitale. C'est donc la connaissance des fonctions d'onde qui nous apporte des informations sur la position probable de l'électron.

Les orbitales s (correspondant à l = 0) sont de symétrie sphérique et sont centrées sur le noyau de l'atome. La fonction d'onde décroît exponentiellement lorsqu'on s'éloigne du noyau. On en déduit que le lieu où il est le plus probable de trouver l'électron est sur le noyau lui-même ! Pourquoi n'est-ce pas le cas ? En réalité, la fonction d'onde à l'état fondamental s'explique en étudiant les contributions des énergies potentielles et cinétique à l'énergie totale de l'atome. Plus la distance électron-noyau est faible, plus l'énergie potentielle est faible (il s'agit de l'énergie potentielle électrostatique en -1/r² que vous connaissez bien), mais plus l'énergie cinétique est élevée (car la courbure de la fonction d'onde est alors très élevée) : la fonction d'onde réelle résulte d'un compromis entre les deux.

Les orbitales p, d et f (l = 1, 2, 3) ont la particularité d'être nulles au niveau du noyau. Elles passent par un maximum pour r>0 et tendent vers 0 (comme toutes les OA) lorsqu'on s'éloigne infiniment du noyau. La probabilité maximale de trouver l'électron se situe donc à une distance non nulle de celui-ci. C'est très simple dans ce cas, comme vous le voyez.

Pour ceux que cela intéresse, je vous conseille de lire à ce sujet les chapitres 11 et suivants du "Chimie Physique" de P.W. Atkins, en particulier la page 354 (chapitre 13.2 §d) d'où est tirée mon explication.

Bravo à ceux qui ont tout suivi...

Edit : merci à D-A et à Pimousse (sans rancune, ça fait 1 partout ce soir ;D). Je précise que si j'ai trouvé cette question intéressante, c'est bien parce que, comme l'a fait justement remarquer D-A, elle est bien formulée et met le doigt où ça fait mal à la méca classique. D'où le plaisir que j'ai éprouvé à expliquer le pourquoi du comment made in mécaQ... comme quoi il n'y a pas que l'orga qui est sexy !

Answer 2

Question super interessante !
Remarquable réponse de Minos , un vrai talent de vulgarisateur !

Au fait pourquoi est-ce que je trouve la question interessante ?
Parce qu'elle permet de montrer les limites des modèles scientifiques.
Un modèle a une certaine capacité à décrire l'objet auquel il s'applique dans des conditions d'observations définies donc limitées.
La question telle qu'elle est posée se place dans le contexte de l'électrostatique qui précisément trouve ses limites au niveau atomique.
C'est pour surmonter des contradictions de ce type que les scientifiques cherchent et proposent de nouvelles théories.
Encore faut-il avoir les connaissances nécessaires pour se rendre compte "qu'il y a un problème" !
Donc félicitations à l'auteur de la question pour s'être s'en être rendu compte et avoir su formuler la question.

D'ailleur, comme dit l'autre, s'il n'y a pas de problème, on a pas à chercher de solution.
Et non pas comme disent d'autres : s'il n'y a pas de solution, c'est qu'il n'y a pas de problème.

CQFD

Answer 3

S'ils touchaient le noyau ils seraient captés par des protons pour donner des neutrons.
Normalement, ils devraient tomber sur le noyau mais le génie de la mécanique quantique est de dire que c'est impossible

Je m'excuse mais pour expliquer la mécanique quantique , il faut lire un gros livre

Answer 4

Il ne faut pas visualiser les électrons tournant autour du noyau comme des planètes tournant autour du Soleil.

Comme toutes les particules élémentaires, l'électron est sujet à la dualité onde-particule. Il se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une particule.

Dans le tube cathodique d'une télévision, par exemple, l'électron se comporte comme un particule (il a une trajectoire, contrôlée par un champs magnétique, et entre en collision avec l'écran).

Lorsqu'il est dans un atome, l'électron se comporte comme une onde stationnaire. La forme des ondes stationnaires des électrons périphériques d'un atome détermine les liaisons possibles que cet atome peut avoir dans une molécule.

Le comportement ondulatoire de l'électron s'applique aussi à l'échelle macroscopique, comme dans l'expérience des fentes de Young. Dans cette expérience, l'électron se déplace sur une distance de l'ordre du mètre, et entre en collision avec un écran. Mais il n'a pas eu de trajectoire entre son point de départ et l'arrivée. Sur le trajet, il s'est comporté comme une onde. Ce phénomène, admis pour la lumière, est beaucoup plus intriguant quand il s'applique à des particules de masse non nulle, comme l'électron.

Answer 5

C'est dû aux forces nucléaires. L'attraction dont tu parles dépend de la force électromagnétique. Cependant, sous certaines distances établies les forces nucléaires (forte et faible) entrent en jeu, et n'agissent évidemment pas comme la force électromagnétique.

Answer 6

Une image bien ancrée est que les électrons tournent autour du noyau dans l'atome (modèle planétaire) ; ceci est impossible car ils rayonneraient alors de l'énergie à l'image d'une antenne radio (cela se démontre à partir des équations de Maxwell); la mécanique quantique montre en fait que les électrons forment un « nuage électronique » autour du noyau.

Answer 7

Minos! Tu m'as volé cette question! Arf je m'en veux! J'aurais du y répondre! Maintenant j'ai plus rien à dire... ;(

Pourtant j'adore la méca Q, ça c'est ultra sexy! Moi j'aurais bien parlé d'orbitales STO-3G ... d'orbitales approximées par des gaussiennes... Mais ça n'aurait pas été pédagogique pour un sou! LOL

Answer 8

S'ils le touchaient tu enfreindrais le principe d'incertitude de HEISENBERG, qui dit qu'on ne peut connaître avec précision simultanément place et vitesse d'un objet quantique tel que l'électron.

Answer 9

En fait aucun éléctron n'a jamais été "vu" et on suppose bien des choses dans le monde de l'infiniment petit en se servant de probabilités statistiques ou de relations mathématiques. En fait on ne le sait pas, on spécule.

Answer 10

il existe une distance appelée distance de debye qui est due aux repulsions electriques i.e que l'atome chargé + va repousser les e charger -