Comment avons-nous appris que les électrons «se déplacent» réellement dans un atome?

Swami

Comment avons-nous appris que les électrons «se déplacent» réellement dans un atome?


Les expériences de Rutherford ont confirmé l’existence de nuages ​​d’électrons légers dans un atome essentiellement vide et qu’ils occupent un certain espace autour du noyau. Qu’est-ce qui nous a fait conclure qu’ils peuvent se déplacer? Cela ne peut-il pas être l’inverse: le noyau se déplace autour du nuage d’électrons?

CuriousOne

En 1911, le rapport charge / masse ainsi que la charge des électrons étaient connus, il devait donc être clair que les électrons étaient beaucoup plus légers que les noyaux. Le reste est la conservation de l’élan.

John Rennie

C’est comme demander pourquoi les planètes tournent autour du Soleil. Les planètes ne pouvaient-elles pas rester immobiles et le Soleil se déplacer dans le système solaire?

John Rennie

Swami, l’idée des électrons en mouvement est basée sur l’idée qu’ils tournent autour du noyau comme de petites planètes. C’est profondément incorrect. Les électrons sont délocalisés dans un atome. Ils n’ont pas une position bien définie et ils ne bougent pas dans le sens naïf du mot.

Sofia

@JohnRennie: puis-je ajouter quelques éclaircissements à ce que vous avez dit? Je le supprimerai si vous n’êtes pas d’accord avec lui. Le mouvement au « sens naïf du mot » signifie suivre une trajectoire , c’est-à-dire à chaque fois t avoir une position,

John Rennie

@Sofia: oui, c’est exactement ce que je voulais dire. Vous le décrivez très bien 🙂

Réponses


 Sofia

Comme John et moi le savons, les électrons dans l’atome ne se déplacent pas dans le sens où ils suivent une trajectoire et ont à tout moment une position et une vitesse. Nous ne comprenons pas vraiment comment ils se comportent dans l’atome. Mais ils bougent.

Veuillez voir un calcul simple: prenons l’atome d’hydrogène avec l’électron au niveau le plus bas, n = 1. La fonction d’onde est très simple, sphérique symétrique, proportionnelle à

e r / une 0

, où

une 0

est le rayon de Bohr.

Calculons les moments linéaires moyens

P X

,

P y

, et

P z

. Puisque la fonction d’onde est réelle,

< P X > = je ψ ( r ) ψ ( r ) X r = 0

,

< P y > = je ψ ( r ) ψ ( r ) y r = 0

,

< P z > = je ψ ( r ) ψ ( r ) z r = 0

,

où l’intégrale est prise sur tout l’atome. Donc, en moyenne, aucun mouvement net dans une certaine direction. cependant,

< P X 2 > = 2 ψ ( r ) 2 ψ ( r ) X 2 r = 2 une 0 2 C 2 X 2 r 2 e 2 r / une 0 r

,

C

est la constante de normalisation. Un calcul similaire peut être effectué pour

< P y 2 >

et

< P z 2 >

et en ajoutant les résultats,

< P 2 > = 2 une 0 2

.

Ainsi, le QM dit que les électrons de l’atome se déplacent . Comment font-ils ce mouvement? Nous ne comprenons pas exactement, car ils n’ont pas de trajectoire.

À propos de l’inverse, c’est-à-dire le noyau se déplaçant autour des électrons – eh bien, le mouvement est relatif. Mais les mathématiques si nous considérons le noyau comme se déplaçant autour de l’électron seraient beaucoup plus compliquées. Habituellement, nous prenons le calcul dans le cadre du centre de masse. Étant donné la disproportion de masse entre le noyau et l’électron, le centre de masse coïncide pratiquement avec le noyau.

honeste_vivere

C’est l’une des nombreuses choses sur QM qui m’a rendu fou. Serait-il donc prudent de dire que lorsqu’ils sont liés par un noyau, les électrons agissent plus comme une onde stationnaire qu’une particule « zoomant » autour du noyau? Alors que lorsqu’un électron est exempt de noyau, il agit plutôt comme une seule particule qui peut « bouger » au sens simple? [Je ne dissèque pas spécifiquement la dualité onde-particule, j’essaie juste de clarifier pour ma propre édification.]

Sofia

@honeste_vivere: Attendez un peu, je suis occupé maintenant, mais je vous répondrai bientôt.

Sofia

@honeste_vivere: qu’est-ce que le « zoom »? Quoi qu’il en soit, ce que je peux dire, c’est qu’aucune image n’est bonne. Ce n’est pas encourageant, mais c’est la situation. Les gens qui traitent déjà depuis des années avec QM, acceptent (sans plaisir) que nous ne pouvons pas obtenir pour ces particules une image classique d’une particule en mouvement le long d’une trajectoire. Dans l’atome, ils ne forment pas d’ondes stationnaires avec des maxima et des minima. La fonction d’onde de l’électron au niveau du sol est complètement symétrique sphérique. Lorsque l’électron est libre, il se comporte plutôt comme une onde, il peut produire des interférences.

honeste_vivere

Oh désolé, le zoom est un argot imprudent pour se déplacer à une vitesse relativement grande. Pour clarifier, cependant, une fonction d’onde sphérique ne serait-elle pas similaire à une onde stationnaire représentée par des harmoniques sphériques? N’est-ce pas ainsi que nous représentons les orbites électroniques dans l’hydrogène (il y a aussi des polynômes de Leguerre ou quelque chose comme ça, non?)? Quant aux électrons libres, j’ai posé ma question de cette façon parce que nous pouvons les détecter comme des particules individuelles, non?

Sofia

@honeste_vivere: À propos de la dualité onde-particule, cela signifie simplement que ces particules microscopiques se comportent à la fois comme des ondes et comme des particules. Lorsqu’un faisceau de telles particules passe à travers deux fentes (la fameuse expérience à double division), on obtient sur une plaque photographique après les fentes, un motif d’interférence. Mais, chaque particule laisse sur la plaque une seule tache sombre, comme toute particule ordinaire.

 

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