Comportement Quantique des Électrons dans l’Atome

Comportement Quantique des Électrons dans l’Atome
Physique Quantique · Chimie · CPGE / Université

Le Comportement
Quantique des
Électrons dans l’Atome

Comment un électron peut-il être “partout à la fois” autour d’un noyau ? Équation de Schrödinger, nombres quantiques, orbitales atomiques, principe d’exclusion de Pauli — tout comprendre sur la mécanique quantique de l’atome, avec schémas et exercices corrigés.

⏱ Lecture : 20 min ⚛️ Niveau : CPGE / Université ✦ Cours Complet + 5 Exercices

Partie 1 — Pourquoi le modèle de Bohr ne suffit pas

1.1 — Les succès et les limites de Bohr

Le modèle de Bohr (1913), que nous avons vu dans l’article sur la quantification de l’énergie, représente les électrons comme des billes sur des orbites circulaires précises autour du noyau. Il explique brillamment les raies spectrales de l’hydrogène. Mais il échoue sur des points fondamentaux :

Atomes multi-électrons
Bohr ne peut calculer que l’hydrogène. Pour l’hélium (2 électrons), le modèle est déjà faux.
Structure fine
Les raies spectrales se subdivisent en sous-raies. Bohr ne peut pas l’expliquer.
Trajectoires impossibles
Le principe d’incertitude de Heisenberg interdit d’attribuer une trajectoire précise à un électron.

La vérité est plus profonde et plus étrange : un électron dans un atome n’a pas de trajectoire. Il existe dans un état de superposition quantique, décrit par une fonction d’onde qui donne la probabilité de le trouver à chaque point de l’espace. C’est la mécanique quantique ondulatoire.

🧠 Le changement de paradigme fondamental

Bohr (1913) : “L’électron est à l’orbite \( n=2 \), à une distance \( r_2 \) du noyau.”
Mécanique quantique (1926) : “La probabilité de trouver l’électron entre \( r \) et \( r+dr \) du noyau est \( |\psi(r)|^2 \cdot 4\pi r^2 dr \).”

Ce n’est pas un détail — c’est une révolution complète de la notion même de “position d’une particule”.


Partie 2 — La dualité onde-corpuscule de l’électron

2.1 — De Broglie : la matière est aussi une onde (1924)

En 1924, Louis de Broglie propose une idée audacieuse dans sa thèse de doctorat : si la lumière peut se comporter à la fois comme une onde et comme un corpuscule (photon), alors la matière devrait aussi posséder une nature ondulatoire.

Longueur d’onde de De Broglie
\[ \lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv} \]
\( \lambda \) — longueur d’onde associée à la particule (m)
\( h \) — constante de Planck (\( 6{,}626\times10^{-34} \ \text{J·s} \))
\( p = mv \) — quantité de mouvement de la particule (kg·m/s)

Pour un électron à \( v = 10^6 \ \text{m/s} \) : \( \lambda = h/(m_e v) \approx 0{,}73 \ \text{nm} \) — du même ordre que les distances interatomiques !
Pour une balle de tennis à \( v = 50 \ \text{m/s} \) : \( \lambda \approx 10^{-34} \ \text{m} \) — indétectable, c’est pourquoi on ne voit pas les effets quantiques à notre échelle.

2.2 — Le principe d’incertitude de Heisenberg

Si un électron est une onde, il est impossible de lui attribuer simultanément une position et une vitesse précises. C’est le principe d’incertitude, énoncé par Werner Heisenberg en 1927.

Principe d’incertitude de Heisenberg
\[ \Delta x \cdot \Delta p_x \geq \frac{\hbar}{2} \] \[ \Delta E \cdot \Delta t \geq \frac{\hbar}{2} \]
\( \Delta x \) — incertitude sur la position (m)
\( \Delta p_x \) — incertitude sur la quantité de mouvement (kg·m/s)
\( \hbar = h/2\pi = 1{,}055\times10^{-34} \ \text{J·s} \)

Interprétation : ce n’est pas une limite technologique (on pourrait mesurer mieux avec un meilleur instrument). C’est une propriété fondamentale de la nature — la position et la quantité de mouvement n’ont pas de valeurs simultanément définies.
Δx petit → Δp grand ψ(x) position précise mais p très incertain ! |ψ̃(p)|² large Δx grand → Δp petit ψ(x) position très incertaine mais p bien défini ! |ψ̃(p)|² étroit
Principe d’incertitude de Heisenberg — plus la fonction d’onde est localisée (Δx petit), plus son spectre en impulsion est étalé (Δp grand), et vice-versa. C’est une propriété mathématique des ondes, pas une limitation instrumentale.

Partie 3 — L’équation de Schrödinger : la loi fondamentale

3.1 — La fonction d’onde ψ

En mécanique quantique, l’état d’un électron est entièrement décrit par sa fonction d’onde \( \psi(\vec{r}, t) \), une fonction complexe de la position et du temps. Sa signification physique est donnée par l’interprétation de Born :

Interprétation probabiliste de Born
\[ P(\vec{r}, t) = |\psi(\vec{r}, t)|^2 \]
\( |\psi(\vec{r}, t)|^2 \cdot d^3r \) est la probabilité de trouver l’électron dans le volume élémentaire \( d^3r \) autour du point \( \vec{r} \) à l’instant \( t \).

Condition de normalisation (l’électron est bien quelque part dans l’espace) : \[ \int_{-\infty}^{+\infty} |\psi|^2 \, d^3r = 1 \]

3.2 — L’équation de Schrödinger (1926)

L’équation de Schrödinger est l’équation fondamentale de la mécanique quantique — l’analogue quantique de \( F = ma \) de Newton. Elle décrit comment la fonction d’onde évolue dans le temps.

Équation de Schrödinger dépendante du temps
\[ i\hbar \frac{\partial \psi}{\partial t} = \hat{H}\psi = \left[-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2 + V(\vec{r})\right]\psi \]
\( i \) — unité imaginaire
\( \hbar = h/2\pi \) — constante de Planck réduite
\( \hat{H} \) — hamiltonien (opérateur énergie totale)
\( -\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2 \) — opérateur énergie cinétique (Laplacien)
\( V(\vec{r}) \) — potentiel (pour l’hydrogène : \( V = -ke^2/r \))

Pour les états stationnaires (d’énergie définie), on sépare les variables : \( \psi(\vec{r},t) = \phi(\vec{r}) \cdot e^{-iEt/\hbar} \)
Équation de Schrödinger indépendante du temps (états stationnaires)
\[ \hat{H}\phi(\vec{r}) = E\phi(\vec{r}) \] \[ \left[-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2 + V(\vec{r})\right]\phi(\vec{r}) = E\phi(\vec{r}) \]
C’est un problème aux valeurs propres : les énergies \( E \) autorisées sont celles pour lesquelles l’équation admet des solutions physiquement acceptables (normalisables, continues, à dérivée continue).
Pour l’hydrogène, les solutions donnent exactement les niveaux d’énergie de Bohr : \( E_n = -13{,}6/n^2 \ \text{eV} \) — mais avec une interprétation radicalement différente.

Partie 4 — Les quatre nombres quantiques

La résolution de l’équation de Schrödinger pour l’atome d’hydrogène fait apparaître naturellement trois nombres quantiques entiers, auxquels s’ajoute un quatrième lié au spin de l’électron. Ces quatre nombres définissent complètement l’état d’un électron dans un atome.

n Nombre quantique principal

Détermine le niveau d’énergie et la taille de l’orbitale. Plus \( n \) est grand, plus l’électron est loin du noyau et plus son énergie est élevée.

n = 1, 2, 3, 4, … (entier ≥ 1)

Nombre quantique azimutal

Détermine la forme de l’orbitale et le moment cinétique orbital. Correspond aux sous-couches s, p, d, f.

ℓ = 0, 1, 2, …, n−1

mℓ Nombre quantique magnétique

Détermine l’orientation de l’orbitale dans l’espace. Distingue les différentes orbitales d’une même sous-couche.

mℓ = −ℓ, …, 0, …, +ℓ

ms Nombre quantique de spin

Décrit le spin intrinsèque de l’électron — une propriété purement quantique sans analogue classique. “Haut” ou “bas”.

ms = +1/2 ou −1/2
nSous-coucheValeurs de mℓNb d’orbitalesNb max d’électrons
101s012
202s012
212p−1, 0, +136
303s012
313p−1, 0, +136
323d−2, −1, 0, +1, +2510
404s012
434f−3, …, 0, …, +3714
📐 Formule clé — Nombre d’électrons par couche

La couche \( n \) contient au maximum \( 2n^2 \) électrons.
n=1 : 2×1² = 2 électrons — n=2 : 2×2² = 8 — n=3 : 2×3² = 18 — n=4 : 2×4² = 32
Cette formule explique la structure du tableau périodique.


Partie 5 — Les orbitales atomiques

5.1 — Qu’est-ce qu’une orbitale ?

Une orbitale atomique est une fonction d’onde \( \phi_{n,\ell,m_\ell}(\vec{r}) \) solution de l’équation de Schrödinger pour l’atome d’hydrogène. On la visualise souvent par une surface de densité de probabilité constante, englobant typiquement 90% de la probabilité de présence de l’électron.

Ce n’est pas la trajectoire de l’électron — c’est la région de l’espace où l’électron a 90% de chances d’être trouvé si on le mesure.

Orbitale s (ℓ=0) Sphérique 1 orbitale, 2e⁻ max Orbitale p (ℓ=1) En forme d’haltères 3 orientations (x,y,z), 6e⁻ max + Orbitale d (ℓ=2) Forme complexe 5 orientations, 10e⁻ max
Formes des orbitales atomiques — s (sphérique), p (haltères, 3 orientations), d (formes complexes, 5 orientations). Ces formes ne sont pas des trajectoires mais des surfaces de probabilité à 90%.

5.2 — La densité de probabilité radiale

Pour comprendre à quelle distance du noyau l’électron est le plus probablement trouvé, on calcule la densité de probabilité radiale \( P(r) \) :

Densité de probabilité radiale
\[ P(r) = r^2 |R_{n\ell}(r)|^2 \]
\( R_{n\ell}(r) \) — partie radiale de la fonction d’onde
\( P(r)dr \) — probabilité de trouver l’électron entre \( r \) et \( r+dr \)

Pour l’orbitale 1s de l’hydrogène : \[ \psi_{1s} = \frac{1}{\sqrt{\pi a_0^3}} e^{-r/a_0} \quad \Rightarrow \quad P(r) = \frac{4r^2}{a_0^3}e^{-2r/a_0} \] Maximum en \( r = a_0 = 0{,}529 \ \text{Å} \) — le rayon de Bohr !
Le résultat de Bohr est retrouvé, mais comme un maximum de probabilité, pas une orbite fixe.
r / a₀ P(r) 1 2 4 8 1s (max à a₀) nœud 2s (2 maxima) 2p (max à ~4a₀) — 1s — 2s — 2p
Densité de probabilité radiale P(r) pour les orbitales 1s, 2s et 2p de l’hydrogène — le maximum de 1s est exactement au rayon de Bohr a₀. Les nœuds de 2s (là où P(r)=0) sont une caractéristique purement quantique.

Partie 6 — Le Spin et le Principe d’Exclusion de Pauli

6.1 — Le spin : une propriété sans analogue classique

En 1925, Goudsmit et Uhlenbeck proposent que les électrons possèdent un moment cinétique intrinsèque, appelé spin, indépendant de leur mouvement orbital. Ce spin ne correspond à aucune rotation physique au sens classique — c’est une propriété purement quantique.

Le spin de l’électron ne peut prendre que deux valeurs pour sa projection sur un axe : \( m_s = +1/2 \) (spin “haut” ↑, noté \( \alpha \)) et \( m_s = -1/2 \) (spin “bas” ↓, noté \( \beta \)).

Moment de spin de l’électron
\[ |\vec{S}| = \hbar\sqrt{s(s+1)} = \frac{\sqrt{3}}{2}\hbar \quad \text{avec } s = \frac{1}{2} \] \[ S_z = m_s \cdot \hbar = \pm\frac{\hbar}{2} \]
\( s = 1/2 \) — nombre quantique de spin de l’électron (fixe)
\( m_s = \pm 1/2 \) — projection du spin sur l’axe z
Le spin est la source du magnétisme atomique : chaque électron est un minuscule aimant dont le moment magnétique est \( \mu_s = -g_s \mu_B m_s \), avec \( \mu_B = e\hbar/(2m_e) \) le magnéton de Bohr.

6.2 — Le principe d’exclusion de Pauli (1925)

Wolfgang Pauli énonce en 1925 le principe fondamental qui gouverne la structure électronique de tous les atomes :

🏛️ Principe d’exclusion de Pauli

Deux électrons d’un même atome ne peuvent pas avoir les quatre mêmes nombres quantiques \( (n, \ell, m_\ell, m_s) \).

Conséquence directe : chaque orbitale (définie par \( n, \ell, m_\ell \)) ne peut accueillir que deux électrons au maximum, et ils doivent avoir des spins opposés (↑↓). C’est ce principe qui explique la structure du tableau périodique et la chimie toute entière.

Remplissage des orbitales — Principe de Pauli 1s ↑↓ (2 e⁻) 2s ↑↓ (2 e⁻) 2p (3 orbitales) ↑ ↑ ↑ (Règle de Hund) INTERDIT ↑↑ même orbitale = même ms → PAULI ✗ Règle de Hund : Les orbitales de même énergie se remplissent d’abord un électron par orbitale (spins ↑).
Remplissage des orbitales selon Pauli — chaque orbitale accueille au maximum 2 électrons de spins opposés. La règle de Hund impose de remplir d’abord une orbitale par sous-couche avant d’apparier les spins.

Partie 7 — Configuration électronique et tableau périodique

7.1 — Les règles de remplissage

La configuration électronique d’un atome décrit la répartition de ses électrons dans les orbitales atomiques. Elle obéit à trois règles fondamentales :

1

Principe d’Aufbau (construction)

Les électrons occupent les orbitales dans l’ordre croissant d’énergie. La règle de Klechkowski (ou règle n+ℓ) donne l’ordre : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s…

2

Principe d’exclusion de Pauli

Chaque orbitale contient au maximum 2 électrons, de spins opposés (↑↓). Si deux électrons ont les mêmes \( n, \ell, m_\ell \), leurs \( m_s \) doivent être différents.

3

Règle de Hund

Pour les orbitales de même énergie (dégénérées), les électrons se répartissent de façon à maximiser le spin total : ils occupent d’abord une orbitale chacun avec des spins parallèles (↑↑↑), avant de se regrouper par paires (↑↓).

📋 Diagramme de Klechkowski — l’ordre de remplissage

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → …
Les inversions 4s/3d, 5s/4d etc. sont dues au fait que n+ℓ est identique pour ces paires.

7.2 — Exemples de configurations électroniques

ÉlémentZConfiguration électroniqueCouche de valence
Hydrogène H1\( 1s^1 \)1s¹
Hélium He2\( 1s^2 \)1s² (couche pleine)
Lithium Li3\( 1s^2 2s^1 \)2s¹
Carbone C6\( 1s^2 2s^2 2p^2 \)2p² (Hund : ↑ ↑)
Azote N7\( 1s^2 2s^2 2p^3 \)2p³ (Hund : ↑ ↑ ↑)
Oxygène O8\( 1s^2 2s^2 2p^4 \)2p⁴ (Hund : ↑↓ ↑ ↑)
Néon Ne10\( 1s^2 2s^2 2p^6 \)2p⁶ (couche pleine → gaz rare)
Sodium Na11\( [Ne] 3s^1 \)3s¹
Fer Fe26\( [Ar] 3d^6 4s^2 \)3d⁶ 4s² (métal de transition)
Cuivre Cu29\( [Ar] 3d^{10} 4s^1 \)Exception : 3d plein + 4s¹
🔑 Pourquoi la chimie est entièrement déterminée par Pauli

Les propriétés chimiques d’un élément dépendent de sa couche de valence (les électrons les plus externes). La raison pour laquelle les gaz nobles sont inertes (couches pleines), les alcalins sont réactifs (1 électron de valence), les halogènes cherchent un électron (7 de valence)… tout cela découle directement du principe d’exclusion de Pauli. La chimie est une conséquence du comportement quantique des électrons.


Exercices Corrigés

Vert — Niveau 1
Bleu — Niveau 2
Violet — Niveau 3
Rouge — Avancé
1

Nombres quantiques et orbitales

Niveau 1 — Nombres quantiques
📋 Énoncé

1. Quels sont les jeux de \( (n, \ell, m_\ell) \) possibles pour \( n=3 \) ? Combien y a-t-il d’orbitales dans cette couche ?

2. Un électron a les nombres quantiques \( n=3, \ell=2, m_\ell=-1, m_s=+1/2 \). À quelle sous-couche appartient-il ?

3. Le jeu suivant est-il valide : \( n=2, \ell=2, m_\ell=0, m_s=-1/2 \) ? Expliquer.

4. Combien d’électrons peut accueillir la sous-couche 4f ?

1

Pour \( n=3 \) : \( \ell = 0, 1, 2 \)
\( \ell=0 \) (3s) : \( m_\ell=0 \) → 1 orbitale
\( \ell=1 \) (3p) : \( m_\ell=-1,0,+1 \) → 3 orbitales
\( \ell=2 \) (3d) : \( m_\ell=-2,-1,0,+1,+2 \) → 5 orbitales
Total : \( 1+3+5 = \mathbf{9} \) orbitales → \( 2n^2 = 18 \) électrons max ✓

2

\( n=3, \ell=2 \) → sous-couche \( \mathbf{3d} \)
\( m_\ell=-1 \) (l’une des 5 orbitales d) avec spin ↑

3

INVALIDE — Pour \( n=2 \), \( \ell \) doit être compris entre 0 et \( n-1=1 \).
Or \( \ell=2 \) n’est pas possible pour \( n=2 \). La condition \( \ell \leq n-1 \) est violée.

4

Sous-couche 4f : \( n=4, \ell=3 \)
Nombre d’orbitales : \( 2\ell+1 = 7 \)
Électrons max : \( 7 \times 2 = \mathbf{14} \) électrons

Résultats
9 orbitales pour n=3 — 3d pour (3,2,−1,+½) — invalide (ℓ≤n−1 violé) — 14 électrons pour 4f
2

Configurations électroniques et tableau périodique

Niveau 2 — Configurations
📋 Énoncé

Écrire la configuration électronique complète de :

a) Silicium Si (Z=14)
b) Chlore Cl (Z=17)
c) Zinc Zn (Z=30)
d) L’ion Fe²⁺ (Z=26)
e) Pour chacun, identifier la couche de valence et prédire le groupe du tableau périodique.

a

Si (Z=14) : \( 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2 \) ou \( [\text{Ne}] 3s^2 3p^2 \)
Valence : 3s²3p² → 4 électrons de valence → groupe 14 (comme le carbone)

b

Cl (Z=17) : \( [\text{Ne}] 3s^2 3p^5 \)
Valence : 3p⁵ → 7 électrons de valence → groupe 17 (halogènes)

c

Zn (Z=30) : \( [\text{Ar}] 3d^{10} 4s^2 \)
La sous-couche 3d est complète → Zn n’est plus un métal de transition au sens strict.
Valence : 4s² → groupe 12

d

Fe (Z=26) : \( [\text{Ar}] 3d^6 4s^2 \)
Fe²⁺ perd 2 électrons — on enlève d’abord les électrons 4s (plus externes, moins liés) :
\( \text{Fe}^{2+} : [\text{Ar}] 3d^6 \) — 6 électrons en 3d, 0 en 4s
Application de Hund : 3d↑↑↑↑↑↑ → 4 spins ↑ et 2 paires → moment magnétique non nul

Résultats
Si : [Ne]3s²3p² — Cl : [Ne]3s²3p⁵ — Zn : [Ar]3d¹⁰4s² — Fe²⁺ : [Ar]3d⁶
3

Longueur d’onde de De Broglie et principe d’incertitude

Niveau 2 — De Broglie & Heisenberg
📋 Énoncé

1. Calculer la longueur d’onde de De Broglie d’un électron dans l’état 1s de l’hydrogène, sachant que \( \langle v \rangle \approx \alpha c \approx 2{,}19\times10^6 \ \text{m/s} \) (α = constante de structure fine = 1/137).

2. Comparer à la circonférence de l’orbite de Bohr \( 2\pi a_0 \). Que remarque-t-on ?

3. Si on confine un électron dans un atome de taille \( \Delta x \approx a_0 = 0{,}529 \ \text{Å} \), estimer l’incertitude minimale sur sa vitesse \( \Delta v \). Commenter.

Données
h = 6,626×10⁻³⁴ J·s  |  mₑ = 9,11×10⁻³¹ kg  |  a₀ = 0,529×10⁻¹⁰ m
1

\( \lambda = h/(m_e v) = \dfrac{6{,}626\times10^{-34}}{9{,}11\times10^{-31}\times2{,}19\times10^6} \)
\( = \dfrac{6{,}626\times10^{-34}}{1{,}995\times10^{-24}} \approx \mathbf{3{,}32\times10^{-10} \ \text{m} = 3{,}32 \ \text{Å}} \)

2

Circonférence de l’orbite 1s de Bohr : \( 2\pi a_0 = 2\pi\times0{,}529 \approx 3{,}32 \ \text{Å} \)
La longueur d’onde de De Broglie est exactement égale à la circonférence !
Cela n’est pas une coïncidence : la condition de Bohr \( mvr = n\hbar \) est exactement la condition de résonance ondulatoire (\( n\lambda = 2\pi r \)). L’électron “fait une onde stationnaire” autour du noyau.

3

\( \Delta p \geq \hbar/(2\Delta x) \implies \Delta v \geq \dfrac{\hbar}{2m_e\Delta x} \)
\( \Delta v \geq \dfrac{1{,}055\times10^{-34}}{2\times9{,}11\times10^{-31}\times0{,}529\times10^{-10}} \approx \mathbf{1{,}09\times10^6 \ \text{m/s}} \)
L’incertitude sur la vitesse est du même ordre que la vitesse elle-même ! Un électron confiné dans un atome est fondamentalement “agité” — il ne peut pas être au repos, même à température nulle.

Résultats
\( \lambda \approx 3{,}32 \ \text{Å} = 2\pi a_0 \) — accord parfait !
\( \Delta v \geq 10^6 \ \text{m/s} \) — l’électron ne peut jamais être “au repos” dans l’atome.
C’est l’énergie du point zéro — même à 0 K, l’électron a une énergie cinétique minimale imposée par le principe d’incertitude.
4

Rayon le plus probable et rayon moyen de 1s

Niveau 3 — Densité radiale
📋 Énoncé

La fonction d’onde de l’état fondamental de l’hydrogène est \( \psi_{1s}(r) = \dfrac{1}{\sqrt{\pi a_0^3}} e^{-r/a_0} \).

1. Écrire l’expression de la densité de probabilité radiale \( P(r) = 4\pi r^2|\psi_{1s}|^2 \).
2. Trouver le rayon le plus probable \( r_{\text{max}} \) en dérivant \( P(r) \) et en annulant la dérivée.
3. Calculer le rayon moyen \( \langle r \rangle = \int_0^\infty r P(r) dr \) (utiliser \( \int_0^\infty r^n e^{-\alpha r} dr = n!/\alpha^{n+1} \)).
4. Comparer \( r_{\text{max}} \) et \( \langle r \rangle \). Lequel est le rayon de Bohr ?

1

\( |\psi_{1s}|^2 = \dfrac{1}{\pi a_0^3} e^{-2r/a_0} \)
\( P(r) = 4\pi r^2 \times \dfrac{1}{\pi a_0^3} e^{-2r/a_0} = \dfrac{4r^2}{a_0^3} e^{-2r/a_0} \)

2

\( \dfrac{dP}{dr} = \dfrac{4}{a_0^3}\left(2r e^{-2r/a_0} – \dfrac{2r^2}{a_0} e^{-2r/a_0}\right) = \dfrac{8r}{a_0^3} e^{-2r/a_0}\left(1 – \dfrac{r}{a_0}\right) = 0 \)
Solution non nulle : \( 1 – r/a_0 = 0 \implies \mathbf{r_{\text{max}} = a_0} \)
Le rayon le plus probable est exactement le rayon de Bohr ! ✓

3

\( \langle r \rangle = \int_0^\infty r \cdot \dfrac{4r^2}{a_0^3} e^{-2r/a_0} dr = \dfrac{4}{a_0^3} \int_0^\infty r^3 e^{-2r/a_0} dr \)
Avec \( \alpha = 2/a_0 \) : \( \int_0^\infty r^3 e^{-\alpha r} dr = 3!/\alpha^4 = 6a_0^4/16 = 3a_0^4/8 \)
\( \langle r \rangle = \dfrac{4}{a_0^3} \times \dfrac{3a_0^4}{8} = \dfrac{3}{2}a_0 = \mathbf{1{,}5 \ a_0} \)

4

\( r_{\text{max}} = a_0 \) (rayon de Bohr) : position la plus probable
\( \langle r \rangle = 3a_0/2 > a_0 \) : rayon moyen, plus grand car la distribution \( P(r) \) est asymétrique (queue à grande distance)
Le rayon de Bohr est le rayon le plus probable, pas le rayon moyen.

Résultats
\( P(r) = \dfrac{4r^2}{a_0^3}e^{-2r/a_0} \quad r_{\text{max}} = a_0 \quad \langle r \rangle = \dfrac{3}{2}a_0 \)
Le rayon de Bohr est bien le rayon le plus probable — confirmant que le résultat de Bohr est juste, mais son interprétation (trajectoire fixe) était erronée.
5

L’expérience de Stern-Gerlach et le spin

Avancé — Spin & Mesure quantique
📋 Énoncé Avancé

L’expérience de Stern-Gerlach (1922) envoie des atomes d’argent dans un champ magnétique inhomogène \( \partial B/\partial z \neq 0 \). La force sur un moment magnétique est \( F_z = \mu_z \cdot \partial B/\partial z \).

1. L’argent (Z=47) a la configuration \( [\text{Kr}]4d^{10}5s^1 \). Quel est le moment magnétique orbital total de l’électron de valence ? Pourquoi ?
2. Le moment magnétique de spin vaut \( \mu_z = -g_s \mu_B m_s \) avec \( g_s \approx 2 \). Calculer les deux valeurs de \( \mu_z \) pour \( m_s = \pm1/2 \), sachant \( \mu_B = 9{,}274\times10^{-24} \ \text{J/T} \).
3. On observe deux taches sur l’écran (pas une seule étalée). Qu’est-ce que cela prouve sur la nature du spin ?
4. Si \( \partial B/\partial z = 15 \ \text{T/m} \) et la longueur de traversée \( L = 3{,}5 \ \text{cm} \), estimer la déviation \( \delta z \) d’un atome d’argent de masse \( m = 1{,}79\times10^{-25} \ \text{kg} \) se déplaçant à \( v = 600 \ \text{m/s} \).

Données
μB = 9,274×10⁻²⁴ J/T  |  gₛ2  |  ∂B/∂z = 15 T/m  |  L = 3,5 cm = 0,035 m  |  m_Ag = 1,79×10⁻²⁵ kg  |  v = 600 m/s
1

L’électron de valence de l’argent est en 5s¹ avec \( \ell = 0 \).
Le moment cinétique orbital est \( L = \hbar\sqrt{\ell(\ell+1)} = 0 \).
Le moment magnétique orbital est nul : \( \mu_L = 0 \).
Seul le spin contribue au moment magnétique de l’atome d’argent.

2

Pour \( m_s = +1/2 \) : \( \mu_z = -g_s\mu_B \times (+1/2) = -\mu_B \approx -9{,}27\times10^{-24} \ \text{J/T} \)
Pour \( m_s = -1/2 \) : \( \mu_z = -g_s\mu_B \times (-1/2) = +\mu_B \approx +9{,}27\times10^{-24} \ \text{J/T} \)
Les deux états de spin donnent des moments magnétiques opposés — d’où deux déviations opposées.

3

Preuve de la quantification du spin :
Si le spin était une rotation classique continue, on observerait une tache étalée (toutes les orientations possibles).
Les deux taches discrètes prouvent que le moment de spin ne peut prendre que deux valeurs : \( m_s = +1/2 \) et \( m_s = -1/2 \).
C’est la première preuve directe de la quantification du spin.

4

Force : \( F_z = |\mu_z| \cdot \partial B/\partial z = 9{,}27\times10^{-24}\times15 = 1{,}39\times10^{-22} \ \text{N} \)
Accélération : \( a = F_z/m = 1{,}39\times10^{-22}/(1{,}79\times10^{-25}) = 776 \ \text{m/s}^2 \)
Temps de traversée : \( t = L/v = 0{,}035/600 = 5{,}83\times10^{-5} \ \text{s} \)
Déviation : \( \delta z = \frac{1}{2}at^2 = \frac{1}{2}\times776\times(5{,}83\times10^{-5})^2 \approx \mathbf{1{,}32\times10^{-6} \ \text{m}} \approx 1{,}3 \ \mu\text{m} \)

Résultats
\( \mu_z = \pm\mu_B = \pm9{,}27\times10^{-24} \ \text{J/T} \quad \delta z \approx 1{,}3 \ \mu\text{m} \)
L’expérience de Stern-Gerlach de 1922 a précédé la théorie du spin (1925) — elle était inexplicable jusqu’à ce que Goudsmit et Uhlenbeck proposent le spin. C’est l’une des expériences les plus élégantes de la physique du XXe siècle.

Idées reçues et points de vigilance

  • “L’électron tourne en cercle autour du noyau” : non. Le modèle de Bohr est une approximation historique. L’électron n’a pas de trajectoire définie — il est décrit par une fonction d’onde qui donne une distribution de probabilité de présence dans tout l’espace.
  • “Le spin est une rotation physique de l’électron sur lui-même” : si l’électron (de taille ~10⁻¹⁸ m) tournait assez vite pour avoir le moment cinétique ℏ/2, sa surface atteindrait une vitesse supérieure à c. Le spin est une propriété purement quantique sans analogue classique.
  • “Pauli dit que deux électrons ne peuvent pas être au même endroit” : c’est une simplification inexacte. Pauli dit qu’ils ne peuvent pas avoir les quatre mêmes nombres quantiques. Deux électrons peuvent très bien se trouver au même point de l’espace (leurs fonctions d’onde peuvent se superposer).
  • “L’orbitale 4s est toujours plus basse en énergie que 3d” : seulement pour remplir un atome neutre. Pour les ions et lors des ionisations, les électrons 4s sont arrachés en premier car leur énergie dépend du contexte (interactions électroniques). Fe perd 4s avant 3d.
  • “L’équation de Schrödinger est exacte pour tous les atomes” : elle est exacte pour l’hydrogène (1 électron). Pour les atomes multi-électrons, les répulsions entre électrons rendent le problème insoluble analytiquement. On utilise des méthodes approximatives (Hartree-Fock, DFT).

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