Organisation du cortège électronique en couches
Il s'agit ici de présenter dans un premier temps les observations qui ont conduit les physiciens à envisager ce modèle en couches électroniques[1].
La structure générale de ces couches est abordée dans la suite du chapitre.
Des incohérences entre expérience et théorie
Des observations déterminantes
Le spectre d'émission ci-contre est celui de l'atome de mercure.
Dans un atome, l'émission de radiations lumineuses correspond à un changement d'état d'énergie des électrons du cortège. La fréquence de la lumière émise, donc sa couleur, est directement liée à l'énergie transférée lors du changement d'état d'énergie de l'électron.
La nature du spectre a permis de conclure que les électrons ne pouvaient pas posséder une énergie quelconque. Ils ne peuvent occuper que des niveaux d'énergie bien définis. Ainsi, les changements de niveaux ne peuvent conduire qu'à des énergies précises, donc à des couleurs bien définies : on obtient un spectre de raies caractéristique des spectres d'atomes.
Les couches électroniques, règles de remplissage
Chaque couche électronique porte un numéro, le nombre quantique principal n, et est nommée par une lettre : K L M N O etc...
Règles de remplissage :
Chaque couche électronique ne peut contenir qu'un nombre maximal d'électrons nmax tel que \(\mathbf {n_{max}=2 \times n^2}\), avec n le nombre quantique correspondant à la couche considérée.
Les électrons se répartissent en premier dans les couches de nombre quantique n le plus bas : K, puis L, puis M, etc...
Une couche externe[2] ne peut pas contenir plus de 8 électrons.
Nom de la couche | K | L | M | N | O |
|---|---|---|---|---|---|
Nombre quantique n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Nombre maximal d'électrons nmax | 2 | 8 | 18 | 32 | 50 |
Remarque : État fondamental
Certaines règles de remplissage constituent des impossibilités, des interdits concernant la répartition des électrons.
Le respect intégral de l'ensemble des règles de remplissage conduit à la structure électronique de l'atome dans son état le plus stable, c'est à dire dans son état fondamental.
Exemple : Répartition des électrons dans l'atome de carbone C
Le numéro atomique du carbone est Z=6, il possède donc 6 électrons dans son cortège électronique.
On commence par placer 2 électrons sur la couche K qui est alors pleine.
Il reste 4 électrons à placer, la couche L peut en contenir jusqu'à 8, donc on place ces 4 électrons sur la couche L.
On note la structure électronique de l'atome de carbone de la façon suivante :
Exemple : Répartition des électrons dans l'atome de magnésium Mg
Le numéro atomique du magnésium est Z=12, il possède donc 12 électrons dans son cortège électronique.
On commence par placer 2 électrons sur la couche K qui est alors pleine.
Il reste 10 électrons à placer, la couche L peut en contenir 8, donc on place ces 8 électrons sur la couche L qui est alors pleine.
Il reste encore 2 électrons à placer, la couche M peut en contenir jusqu'à 18, on place donc 2 électrons sur la couche M.
On note la structure électronique de l'atome de magnésium de la façon suivante :