Structure électronique des atomes

Structure électronique des atomes
I) Rappels :
a. Constituants d’un atome :
Dans le modèle planétaire d’un atome, les électrons tournent autour du
noyau.
L’atome est noté X
A
Z
avec
•
•
Ordres de grandeurs :
• Taille de l’atome :
• Taille du noyau :
• Masse d’un nucléon :
• Masse d’un électron :
• Charge élémentaire :
b. Elément chimique
Def :
Isotopes :
II) Vers une nouvelle mécanique :
a. Spectre d’émission :
Quantification :

L’énergie de l’onde lumineuse émise ou absorbée
est liée à celles des niveaux électroniques par :
b. Mécanique quantique :
Ces résultats expérimentaux, entre autres, ne peuvent pas être expliqués dans le cadre de la
mécanique classique newtonienne : le modèle planétaire de l'atome ne permet pas d'expliquer
la quantification de l'énergie.
Un nouveau modèle de mécanique, valable uniquement pour le monde microscopique, a donc
été développé au début du XX
ème
siècle : c’est la mécanique quantique.
Cette théorie sera plus développée en 2
ème
période. On peut toutefois commencer par un
résultat important : un grand principe de la mécanique quantique, le principe d’incertitude
d’Heisenberg induit que l’on ne peut pas connaître simultanément et avec une précision
infinie la position et la vitesse de l’électron. On ne peut donc même pas définir de trajectoire.
On ne peut connaître que certaines informations comme sa probabilité de présence dans un
volume donné de l’espace ou encore son énergie…
III) Les nombres quantiques :
a. Les 4 nombres
A droite : représentation de quelques OA
b. n, le nombre quantique principal

Couche :
-
- On peut attribuer à chaque couche électronique une notation (couche K pour
1
n
=
, L pour
2
n
=
, M pour
3n
=
,…) mais cette notation n'est plus utilisée à notre niveau. On verra en
effet que l'on garde en pratique la valeur de n en tant que notation.
c. l, le nombre quantique secondaire ou azimutal
Sous-couche :
-
l 0 1 2 3 4 5 …
notation s p d f g h …
Remarque :
Les termes de "couche" ou de "sous-couche" électronique sont utilisés, mais ils ont
l'inconvénient de faire penser au modèle planétaire de l'atome, qui est un modèle faux. Les
électrons ne sont pas situés sur des couches concentriques centrées sur le noyau…
d. m
l
, le nombre quantique magnétique orbital
e. Le 4
ème
nombre quantique : m
s
4
ème
nombre :

Notations :
Dans la suite, on adopte une représentation symbolique de l’état d’un électron :
- l’OA est représentée par une case quantique :
- l’état de spin est représenté par une flèche :
- l’électron par la réunion des deux :
Remarque :
IV) Aspects énergétiques :
a. Cas de l’atome d’hydrogène :
Rappel : 1 eV correspond à l’énergie d’un électron soumis à une différence de potentiel de 1
V. Comme l’expression de l’énergie électrostatique est E
électrostat
= q V avec q la charge de la
particule et V le potentiel électrostatique dans laquelle la particule est placée, alors
1 eV = e×1= e J = 1,6.10
-19
J
Diagramme énergétique :
Dégénérescence :
Cela se traduit mieux sur ce 2
ème
diagramme
énergétique :

b. Cas des atomes polyélectroniques :
Sur les cases quantiques :
Rq : l’ordre des niveaux énergétiques n’est plus uniquement celui des n croissants. Il sera
précisé par la suite (règle de Klechkowski)
V) Configuration électronique :
a. Définition :
Def :
Fondamental/ niveaux excités :
Ex :