Introduction à la chimie

Termes

• fermion Une particule avec des états quantiques totalement antisymétriques. Ils ont un spin demi-entier et comprennent de nombreuses particules élémentaires.
• électronLa particule subatomique ayant une charge négative et en orbite autour du noyau; le flux d’électrons dans un conducteur constitue de l’électricité.
• bosonUne particule aux états quantiques totalement symétriques. Ils ont un spin entier et comprennent de nombreuses particules élémentaires, et certains (bosons de jauge) sont connus pour porter les forces fondamentales.

Le principe d’exclusion de Pauli, formulé par le physicien autrichien Wolfgang Pauli en 1925, déclare qu’aucun fermion de même nature ne peut occuper simultanément le même état quantique. Plus techniquement, il déclare que la fonction d’onde totale pour deux fermions identiques est antisymétrique par rapport à l’échange des particules. Par exemple, deux électrons dans un même atome ne peuvent pas avoir les mêmes quatre nombres quantiques; si n, ℓ et mℓ sont identiques, ms doit être différent pour que les électrons aient des spins opposés.

Le principe d’exclusion de Pauli régit le comportement de tous les fermions (particules avec un spin demi-entier), tandis que les bosons (particules à spin entier) n’y sont pas soumis. Les fermions comprennent des particules élémentaires telles que les quarks (les particules constitutives des protons et des neutrons), des électrons et des neutrinos. De plus, les protons et neutrons (particules subatomiques composées de trois quarks) et certains atomes sont des fermions et sont donc également soumis au principe d’exclusion de Pauli. Les atomes peuvent avoir un spin global différent, qui détermine s’il s’agit de fermions ou de bosons – par exemple, l’hélium-3 a un spin 1/2 et est donc un fermion, contrairement à l’hélium-4 qui a un spin 0, ce qui en fait un boson. En tant que tel, le principe d’exclusion de Pauli sous-tend de nombreuses propriétés de la matière quotidienne, de la stabilité à grande échelle au comportement chimique des atomes, y compris leur visibilité en spectroscopie RMN.

Le spin demi-entier signifie la valeur de moment angulaire intrinsèque des fermions est \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (constante de Planck réduite) fois un demi-entier (1/2, 3/2, 5/2, etc.). Dans la théorie de la mécanique quantique, les fermions sont décrits par des états antisymétriques. En revanche, les particules à spin entier (bosons) ont des fonctions d’onde symétriques; contrairement aux fermions, les bosons peuvent partager les mêmes états quantiques. Les bosons comprennent le photon, les paires de Cooper (responsables de la supraconductivité) et les bosons W et Z. Les fermions tirent leur nom de la distribution statistique de Fermi – Dirac à laquelle ils obéissent, et les bosons tirent leur nom de la distribution de Bose – Einstein.

Le principe d’exclusion et les phénomènes physiques

Le principe d’exclusion de Pauli explique une grande variété de phénomènes physiques. Une conséquence particulièrement importante de ce principe est la structure complexe de la couche électronique des atomes et la manière dont les atomes partagent les électrons. Il explique la variété des éléments chimiques et leurs combinaisons chimiques. Un atome électriquement neutre contient des électrons liés en nombre égal aux protons du noyau. Les électrons, étant des fermions, ne peuvent pas occuper le même état quantique, donc les électrons doivent «s’empiler» dans un atome – ils ont des spins différents au même endroit.

Un exemple est l’atome d’hélium neutre, qui a deux électrons liés, qui peuvent tous deux occuper les états d’énergie la plus basse (1s) en acquérant un spin opposé. Comme le spin fait partie de l’état quantique de l’électron, les deux électrons sont dans des états quantiques différents et ne violent pas le principe d’exclusion de Pauli. Cependant, il n’y a que deux spin distincts pour un état énergétique donné. Cette propriété oblige donc un atome de lithium, qui a trois électrons liés, à ne pas avoir son troisième résidu d’électrons e à l’état 1s; il doit à la place occuper l’un des états 2 d’énergie supérieure. De même, des éléments successivement plus grands doivent avoir des coques d’énergie successivement plus élevée.Parce que les propriétés chimiques d’un élément dépendent en grande partie du nombre d’électrons dans la coquille la plus externe, les atomes avec un nombre différent de coquilles mais le même nombre d’électrons dans la coquille la plus extérieure se comportent toujours de la même manière. Pour cette raison, les éléments sont définis par leurs groupes et non par leurs périodes.