FORMULES de PHYSIQUE
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ÉLECTRON LIé
-électron lié
RÔLES des ÉLECTRONS liés à L’ATOME
-orbites
Les électrons d'un atome sont disposés sur des orbites autour du noyau, chaque orbite acceptant un certain nombre d'électrons avec un maximum noté ci-après
la 1°couche K(2) -la 2°couche L(8) -la 3°couche M(18) -les 4°,5°,6°,7° couches dites N,O,P,Q (32 chacune)
Un électron qui reste sur son orbite a une énergie stationnaire
Un électron qui reçoit un choc d'une autre particule est excité (pendant un temps de l'ordre de 10-7s) et passe sur une orbite plus externe et plus énergétique
Un électron qui se désexcite retombe sur 1 orbite plus interne et produit un photon
-caractéristiques des électons liés
Il y a quatre nombres quantiques les concernant sur orbites >>> (n) le principal, (m) le magnétique, (l) l'azimutal et (s) le spin
Le nombre d’occupation est le nombre d’électrons installés dans une bande d’énergie donnée
Noms des électrons de liaison (appellations spécifiques, pour différentier leur rôle dans une liaison)
Exemple de la chimie carbonnée >> On a des électron pi (liaison simple) ou électron sigma (liaison double)
Capture d’électron
S'il y a capture nucléale: l’électron orbital est capturé par le noyau (d’où transformation du positron récepteur en neutron)
S'il y a capture K, c'est un cas particulier d’électron capturé qui est sur la couche K (il laisse un Trou, avec émission X)
-distance entre électron et noyau
Le cas le plus simple est celui de l'hydrogène (1 seul électron et un seul proton) Leur éloignement, dit rayon de Bohr (lB), exprimé ci-après en m est :
lB = h².ε0.Ω / mé.e
h est la constante de Planck, ε0 la permittivité du vide, Ω(sr) l'angle solide, m(kg) la masse de l'électron et e (C) la charge élémentaire
Le calcul donne 5,29.10-11 m
Le rayon de Bohr correspond à la taille de l'atome d'hydrogène dans son état fondamental (à énergie minimale)
-densité d'électrons liés
pour un corps simple, il y a entre 1 et 25.1028 électrons liés par mètre cube du corps
ENERGIE des ELECTRONS LIES
-l'énergie potentielle Ep effective d’un électron est variable avec sa position par rapport au noyau auquel il est géographiquemet lié:
Le niveau d’énergie potentielle des électrons a une probabilité moyenne (soit 50%) d'être quelconque, mais à distance très grande du noyau (sur la couche externe, dite "de valence"): Ep est maximale, puis en se rapprochant, elle décroît jusqu’à un minimum et à proximité du noyau, elle re-croît rapidement.
A l’inverse, la force de liaison entre électron et noyau est inversement proportionnelle au carré de sa distance (loi de Coulomb)
Potentiel normal
En= Z.e² / Ω.ε.l
où En(J)= potentiel (énergétique) coulombien
Z= numéro atomique de l'élément en cause
e(C)= charge élémentaire(1,6021733.10-19 C)
Ω(sr)= angle solide où se déroule l’interaction(4pi sr si c’est l’espace entier et si le système d’unités a le sr comme unité d’angle)
l(m)= distance de l’électron au centre de l’atome
ε(F/m-sr)= constante diélectrique locale
Potentiel centrifuge:
C'est un potentiel complémentaire au précédent, dû à la force centrifuge, pour un électron à fort moment cinétique (il y a augmentation du rayon de l’orbite) :
Ej = h².L(L+1) / mé.lr²
Ej(J)= potentiel (énergétique) centrifuge
h(J-s)= constante de Planck (6,62606876.10-34 J-s)
L = nombre quantique orbital
mé(kg)= masse de l’électron
lr(m)= rayon de l’orbite
Potentiel central effectif :c'est le potentiel combiné des 2 potentiels ci-dessus (En +Ej )
Effet d'éloignement (ou écrantage)
Les électrons périphériques, reçoivent incomplètement le champ du noyau, car ce dernier est occulté par les électrons de couches intermédiaires (la variation va de 1 à 6%)
Effets énergétiques de voisinage sur un électron
L'électron d'un atome subit des effets de la part du noyau, puis de la part des autres électrons des couches, puis de la part des atomes voisins
L'ensemble de ces effets est le HAMILTONIEN H et sa décomposition en ses divers effets est donnée par l'équation de Hartree-Fock
H = E1+ E2- E3- E4 où les E sont des énergies (E1 = énergie électrostatique entre électron et noyau-- E2 = énergie coulombienne entre les divers électrons--
E3 = énergie cinétique de l'électron-- E4 = énergie d'antisymétrie)
-calcul de l’énergie
L'énergie est fonction du niveau n de la couche électronique sur laquelle est l’électron dans l’atome
La formule de Balmer généralisée donne le NOMBRE d'onde, qui intervient pour le calcul énergétique >>>
Jn = RH.Z² [1 / na² -1 / nb² -... - 1 / nm2]
où Jn(m-1)= NOMBRE d’ondes (nombre de raies par unité de longueur d’onde)
RH(m-1)= constante de Rydberg
1 / na² ...etc. sont les "coefficients spectraux" où (na.....nm) sont les nombres entiers, qui vont en croissant de a à m dans l’analyse spectrale d’un corps)
Énergie de Fermi" -ou "niveau de Fermi"-.
Pour un solide supposé idéal et à température T= 0° K, c'est l’énergie devenant la plus élevée parmi les niveaux d’énergies possibles que puisse prendre au moins l’une des corpuscules faisant partie de l’ensemble des particules subatomiques du solide
On trouve souvent les périphrases suivantes pour le niveau de Fermi (qui sont des synonymes inutilement compliqués) : - potentiel d’énergie cinétique des fermions--baryons à très basse température-- potentiel électrochimique--potentiel électronique de Fermi--...
Bande énergétique
Zone d’énergie concernant les électrons dans un atome (bande de conduction, de valence...)
-les bandes d’énergie correspondent à chaque famille d'électrons d’un atome occupant telle situation énergétique (et plus ils sont externes, plus leur énergie est grande).
La bande de conduction par exemple, est celle la plus extérieure et donc la plus énergétique
Ces "bandes" peuvent être des bandes permises (successivement: les orbites saturées, puis la couche de valence supérieure, puis la bande de conduction extérieure)
Mais elles sont séparées par des bandes interdites (dites aussi gap), sises à une distance (énergétique) plus ou moins grande et qui seront franchies quand l’énergie de l’électron sera suffisante (grâce à variation de température, ou à action d’un agent externe)
Au fur et à mesure que les bandes se saturent, elles complètent ultérieurement les suivantes qui étaient incomplètes ou vides.Ceci se fait en fonction de la situation du niveau énergétique de Fermi (le plus élevé possible) disponible dans une ou autre bande
-dans un ISOLANT, l'espace énergétique entre la bande de valence et celle de convection est grand
-dans un SEMI-CONDUCTEUR, cet espace est réduit
-dans un SEMI-METAL (métal mauvais conducteur), cet espace est très réduit et proche d’une bande permise
-dans un CONDUCTEUR, cet espace est nul (il y a même quasi-chevauchement entre bandes)
Energie cinétique d'un électron lié
C'est E = h.ν -Ea
où h = constante de ¨Planck ; ν (H)= fréquence de radiation et Ea (J) = énergie que l'électron dépense pour s'extraire de son atome
Electron de recul
Quand un électron périphérique (dont l’énergie de liaison est très faible) est heurté par un photon assez énergétique, il est éjecté et est nommé ''électron de recul''
Le photon pour sa part est dévié lors de la collision (effet Compton)
Les photons déviés constituent le rayonnement diffusé, responsable d’un voile sur un film photo. et d'une mise en exposition des personnes intervenant dans sa proximité
VITESSE des ÉLECTRONS LIÉS
La vitesse linéaire d'un électron orbital qui tourne autour du noyau est v = h / θ.mé. lr
avec h = constante de Planck, θ(rad) l'angle de rotation (ici 2 pi, car rotation totale) , mé(kg) la masse de l'électron et lr le rayon de son orbite
RADICAUX LIBRES
Quand un ou plusieurs électrons de couche externe d'une molécule n'est (ne sont) pas apparié(s), on dit qu'il y a création d'un radical libre.
Les radicaux libres usuels sont des péroxyde, carbonyle, hydroxyle...