Patrick CHAQUIN Laboratoire de Chimie Théorique UMPC (site d’Ivry) 01 44 27 36 72 (rare) 01 44 27 21 69 (plus souvent) chaquin@lct.jussieu.fr (le mieux)

Les « rayons cathodiques » : découverte des électrons

Expérience de Rutherford : la matière est concentrée sous la 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)

Nombre de nucléons Symbole chimique Nombre de protons Z définit l’élément de symbole X Z et A définissent un nucléide Deux nucléides (Z, A) et (Z, A’) sont isotopes

Radioactivité Emission a Emission b (+/-) b- : un neutron est transfomé en proton : n  p+ + e- b+ : un proton est transfomé en neutron : p+  n + e+ Emission g Noyau « excité »  noyau « fondamental »

Quantité de matière ; la mole Nombre N d’atomes contenus dans 0,012 kg (12 g) de carbone 0,012 Nombre d’Avogadro N = = 6,022 1023 12 u (kg) 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 NA = 6,022 1023 mol-1 n = moles NA Constante d’Avogadro

Modèle de Rutherford de l’atome d’hydrogène v m -e +e F r

hnmax

Energie de H Modèle de Rutherford Atome réel hnmax

Origine des « séries » du spectre d’émission de H

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 »

En l (s) 1 (p) 2 (d) 3 (f) n 4 4s 4p 4d 4f 3 3s 3p 3d 2 2s 2p 1 1s (s) 1 (p) 2 (d) 3 (f) En n -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2 -3 -2 -1 0 +1+2 +3 ml 4 4s 4p 4d 4f -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2 ml 3 3s 3p 3d -1 0 +1 ml 2 2s 2p ml 1 1s

l Le nombre quantique l et propriétés magnétiques associées « aiguille aimantée » Aimantation proportionelle à l l

Le nombre ml. Modification du spectre sous l’action d’un champ magnétique B Champ magnétique B B = 0 B ml = 1 n = 2, l =1 ml = -1 ml = 0 l = 1 ml = 0 ml = 1 ml = -1 n = 1, l = 0

Le spin. Propriétés magnétiques intrinsèques de l’électron ms = 1/2 « aiguille aimantée » Spin s ms = -1/2

En l (s) 1 (p) 2 (d) 3 (f) n 4 4s 4p 4d 4f 3 3s 3p 3d 2 2s 2p 1 1s (s) 1 (p) 2 (d) 3 (f) En n -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2 -3 -2 -1 0 +1+2 +3 ml 4 4s 4p 4d 4f -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2 ml 3 3s 3p 3d -1 0 +1 ml 2 2s 2p ml 1 1s ms = 1/2 ms = - 1/2

Electron 1s l = 0 ; m = 0 Simulation de la superposition de « photographies » d’un électron 1s

Electron 2pz z l = 1 ; m = 0 Simulation de la superposition de « photographies » d’un électron 2p

Courbes d’isodensités électroniques de l’atome d’hydrogène 1s 2p 2s

Electron 1s l = 0 ; m = 0 « Volume de localisation principale» d’un électron 1s

Electron 2pz z l = 1 ; m = 0 « Volume de localisation principale» d’un électron 2pz

Volumes de localisation calculés 2px 2py 2pz 1s

Représentation conventionnelle des orbitales de la couche n = 2 n est lié à la « taille » du volume de localisation l est lié à sa « forme » ml est lié à son orientation spatiale Noir/blanc signifie changement de signe de Y(x,y,z)

L’intensité lumineuse I selon les aspects corpusculaire et ondulatoire B NA photons/s/m2 NB photons/s/m2 IA NA IB NB E = E0(A) cos(wt + f) E = E0(B) cos(wt + f) IA E0(A)2 IB E0(B)2 E0(X)2 traduit la densité de photons en X et la densité de probabilité d’un photon unique

Y est appelée fonction orbitale ou orbitale Analogie formelle photon-particule matérielle (électron) : double aspect corpusculaire/ondulatoire densité de probabilité en un point M(x,y,z) corpuscule onde E = hn (énergie) photon m, v électron Limite de l’analogie : champ électrique, toujours > 0 Y pas d’interprétation physique, > 0 ou <0 Y est appelée fonction orbitale ou orbitale

Atomes « hydrogénoïdes » Ion formé d’un noyau et d’un seul électron Ex : He+, Be3+, C5+ -e Ze