Bernard Schaeffer

dimanche 22 mars 2009

La mécanique quantique

La mécanique (ou physique) quantique est la partie de la physique où apparaît la constante de Planck.

L'organigramme présente le lien logique entre les différentes équations à la base de la mécanique quantique.

La mécanique quantique est issue à la fois de la théorie des quanta, concrétisée par les formules d'Einstein et de Planck où énergie,  fréquence et masse sont proportionnelles.
La proportionnalité de l'énergie à la fréquence a conduit à la formule de Planck expliquant le rayonnement du corps noir. De Broglie a appliqué la relativité aux quanta pour trouver l'onde qui porte son nom. Schrödinger en a déduit l'équation qui porte son nom et la structure de l'atome d'hydrogène. En ajoutant le quatrième nombre quantique, le spin, Bohr, Pauli et d'autres ont pu construire le tableau de Mendeleiev sur une base théorique et non plus empirique.

L'origine relativiste de l'onde de matière, trouvée par de Broglie a été oubliée dans les manuels qui ne connaissent que la formule donnant la longueur d'onde de de Broglie. L'extrait de mon livre ci-après montre comment de Broglie l'a trouvée à partir de la relativité et de son hypothèse de conservation de la phase.

Tous les détails dans mon livre "Relativités et quanta clarifiés", publié chez Publibook consultable sur Google livres, Amazon, dans toutes les bonnes librairies scientifiques ainsi que dans plusieurs dizaines de bibliothèques universitaires.

On trouvera ailleurs une explication compréhensible du spin et du principe d'exclusion de Pauli.

 

jeudi 19 février 2009

AZF et détonation du nitrate d'ammonium

Détonabilité du produit

Il est bien connu que le nitrate d'ammonium peut détoner, il y a eu d'autres accidents.
La SNPE a effectué un essai qui consistait à laisser tomber d'une hauteur de 3 mètres une bétonnière remplie de nitrate d'ammonium avec ajout du produit chloré censé être responsable de la détonation dans le hangard de l'AZF. L'essai a été fait au champ de tir de Captieux. Il y a eu détonation. Cette information m'a été fournie par un membre du personnel SNPE. J'ai cherché à en obtenir la confirmation mais la responsable communication du siège de la SNPE a prétendu avoir assez communiqué sur le sujet. Pourtant je n'ai pratiquement rien trouvé sur Internet. Juste l'entrefilet qui suit, d'ailleurs muet sur l'essai en question:

"AVERTISSEMENT COMMUNIQUÉ PAR LE GROUPE SNPE

Le Groupe SNPE a montré que la mise en contact du NA (nitrate d'ammonium à 0,9 - 1,5 % d'humidité) avec du DCCNa dichloroisocyanurate de sodium) conduisait à la détonation du NA, confirmant ainsi les explosions relatées par Louis MEDARD. Cette étude a montré que la détonation était due à la formation d'un explosif primaire très instable le trichlorure d'azote (NCl3). Cette étude a été présentée au symposium de sécurité DDESB à San Antonio en août 2004. Contact SME Environnement Y. GUENGANT (e-mail : y.guengant@snpe.com)."

Commentaires

La cause exacte de l'explosion de l'AZF restera probablement inconnue mais le risque était réel, comme le prouvent les explosions de bateaux chargés de nitrates qui se sont produites autrefois, risque ignoré par les responsables d'AZF. Quelles que soient les précautions prises ce risque demeure car la probabilité, même faible, d'une négligence ou d'une erreur n'est jamais nulle, autrement dit le risque zéro n'existe pas.
Il semble que l'on cherche à reproduire en laboratoire la détonation de Toulouse mais je me demande si on procède correctement. Les tests officiels de sécurité, tels qu'ils sont conçus au mouton de 30 kg, chutant de 3 mètres, ne peuvent générer de détonation car le produit à tester n'est pas confiné. En effet, en petite quantité, le nitrate ne détone pas, la poudre noire n'a apparemment jamais détoné mais elle déflagre. La poudre à canon à la nitrocellulose pure non plus (officiellement). Or il se trouve que si elle est confinée elle détone, comme cela a été montré par un essai que j'avais demandé. La quantité était pourtant faible, une centaine de grammes. Personne, à ma connaissance, n'en a tenu compte. Ceux qui prétendent que l'explosion était impossible sans détonateur sont des ignorants. Pour moi il est tout à fait possible qu'un choc dans certaines conditions ait pu déclencher la détonation comme je l'ai montré pour la poudre à canon.

Et n'oublions pas l'inconscience de gens soi-disant compétents:
Un responsable sécurité voulait créer un parking sur un marécage où sont enfouies des munitions de la guerre de 14-18.
La force de frappe devait utiliser des propergols à base de nitroglycérine sur les sous-marins. Ce projet a été abandonné mais on peut imaginer le risque d'une explosion du style Koursk au voisinage de bombes nucléaires. J'ai pu constater que la fiche de sécurité de ce produit n'était pas remplie alors que la nitroglycérine dégoulinait.
La poudrerie de Saint-Chamas a brûlé en 1936; le personnel, directeur compris, regardait l'incendie, croyant que le TNT ne pouvait détoner sans détonateur: 53 morts. Les terrains ont été transférés au Conservatoire du littoral et sous lesquels se trouvent encore de grosses quantités d'explosif.

Il n'y a qu'une solution: mettre les usines à distance des zones habitées en fonction des dégats prévisibles en cas d'accident. On l'a bien fait il y a deux siècles, suite à l'explosion de la poudrerie de Corbeil lors d'un essai de Lavoisier. D'autre part, on se demande à quoi servent les assurances qui ne remboursent que les dégâts légers. Pour les gros dégâts, elles renvoient systématiquement la balle ailleurs. Il faudrait n'accepter que des contrats où l'assurance rembourse et se retourne ensuite contre les responsables.

samedi 15 novembre 2008

Classification périodique des éléments de Mendeleiev

Résumé

La classification périodique des éléments chimiques, certes complète, n'a pas encore sa forme définitive. En effet, la représentation officielle n'est pas entièrement cohérente avec la mécanique quantique. L'hélium doit être à côté de l'hydrogène dans le bloc s. Lutécium et lawrencium font partie du bloc d. Les autres actinides et lanthanides restent dans un bloc f séparé. Il y a certainement un problème que les chimistes ne veulent pas voir, à en juger par le nombre de versions différentes du tableau périodique des éléments chimiques. La table de Mendeleiev doit se faire selon le modèle spdf de l'atome d'hydrogène et non pas selon la structure électronique, avec des exceptions au-delà du numéro atomique 18 (argon), ou sur des critères chimiques, subjectifs.

Abstract

Final version of the periodic table of elements. The Mendeleev periodic table, although complete, has not yet its final shape. The official table is, indeed, in disagreement with quantum mechanics. In order to ensure coherence, it is put forward to place helium with hydrogen in the s-block. Lutetium and lawrencium shift from the f to the d-block. Other lanthanides and actinides stay in a separate f-block. The great number of different versions of the periodic table shows that there is a problem that the chemists do not want to see.

Version détaillée en anglais, téléchargeable en pdf: "Quantum Mechanics Consistent Periodic Tables"

Historique

Le tableau périodique de Mendeleïev a plus d’un siècle d’existence. Contrairement à ce que l'on croit souvent, elle n'est pas basée sur les propriétés chimiques des éléments mais, à l’origine, sur les masses atomiques, avec une périodicité de sept lignes correspondant à peu près aux blocs s et p de la mécanique quantique, les gaz rares en moins. Les lignes, devenues colonnes, ont été complétées à huit après la découverte des gaz rares par Ramsay. Moseley a remplacé la masse par le numéro atomique comme critère de classement. Les transuraniens ont été découverts par Seaborg qui a placé les lanthanides et les actinides séparément, en bas de la table.
Avec la venue de la mécanique quantique, la classification a été éclairée par la connaissance de la structure électronique. Cependant, les conclusions obtenues par Bohr, Sommerfeld, Pauli et d’autres n’ont pas encore été entièrement prises en compte dans les tables compactes. C’est pourquoi une modification du tableau périodique des éléments s’impose.

Hélium

Il est bien connu [1] que l'hélium, comme l'hydrogène, a une structure de type s, avec deux électrons, soit 1s2. Les autres gaz rares sont caractérisés par leur mode de vibration de type p, avec six électrons dans la couche externe, soit np6, où n est le nombre quantique principal. L'hélium n'a que deux électrons dans la couche externe, au lieu de six pour les autres gaz « rares ». Pourtant, il est classé avec les gaz « inertes », qui ne le sont plus depuis 1962, date à laquelle Bartlett [2] a montré que les gaz « nobles » n'étaient pas inertes chimiquement. Cette place est manifestement incongrue alors qu'il y a une case vide à côté de l'hydrogène correspondant à 1s2.

Lutécium et lawrencium

Le lutécium et le lawrencium sont classés, dans des ouvrages se réclamant pourtant de la mécanique quantique [1] [3], parmi les lanthanides et les actinides, soit 15 éléments par série, nombre incompatible avec le principe d’exclusion de Pauli qui requiert un nombre pair d’électrons dans une couche complète. Certains auteurs [4] [5] classent le lutécium et le lawrencium dans le bloc d. On trouve d‘autres allusions à ce problème, comme chez Peeters sur le site Internet de l’IUPAC (International Union of Pure & Applied Chemistry) ou UICPA en français. Il se contente de le signaler par des couleurs, sans modifier les colonnes. On savait déjà en 1930 [6] [7] que le lutécium (ou lutetium) faisait partie du bloc d et non du bloc f. Des livres récents [8] [9] confirment ce choix.

L'ytterbium a comme structure (Xe) 6s2 4f14 : toutes les sous-couches sont complètes, il est donc à la fin des lanthanides, caractérisés par le remplissage progressif de la sous-couche f [5].

Le lutécium a comme structure électronique
(Xe) 6s2 4f14 5d1, c'est-à-dire que sa couche 4f est remplie, comme pour l'ytterbium. Sa couche 5d commence à se
remplir; c'est donc un métal de transition. Il est suivi du hafnium de structure
(Xe) 6s2 4f14 5d2. La sous-couche 5d se complète ensuite jusqu'au mercure avec 10 électrons d :
(Xe) 4f14 5d10 6s2. On peut faire la même constatation pour le lawrencium de structure électronique
(Rn) 7s2 5f14 6d1. Le lanthane et l'actinium sont généralement placés de façon erronnée à la place du lutécium et du lawrencium, eux-mêmes placés à la fin des lanthanides et des actinides par manque de place.

Le tableau périodique officiel, comme celui du CEA et de l'IUPAC, ci-après, présentent trois erreurs car trois éléments sont mal placés : l'hélium 2 He se trouve dans le bloc p alors qu'il est de type s, le lutécium 71 Lu et le lawrencium 103 Lu sont placés dans le bloc f alors que leur couche f est déjà saturée sur l'élément précédent. Par contre ils constituent bien le début d'éléments de transition puisqu'ils ne contiennent qu'un électron 5d ou 6d.

Modification proposée du tableau périodique officiel

Je propose de grouper l'hydrogène et l'hélium ayant le même mode de vibration s et de mettre le lutécium et le lawrencium dans le bloc d, conformément à leur structure électronique. La table modifiée se présente alors sous la forme ci-après, avec création d'un emplacement pour le bloc f, détaillé à part, selon la présentation habituelle :

Le numéro atomique croît de gauche à droite. Le nombre quantique principal n avec la dénomination littérale des couches électroniques correspondantes augmente de haut en bas. Le nombre quantique secondaire l apparaît en haut, sous les formes numérique et littérale. Il croît de droite à gauche sauf l = 0, qui est à gauche de telle sorte que le numéro atomique croisse de façon continue de gauche à droite. Aux valeurs de l sont associées les lettres minuscules s, p, d, f. Chaque bloc contient 4l+2 éléments chimiques.
Le nombre total de colonnes passe de 18 à 32 par la prise en compte des lanthanides et actinides en tant que bloc f, tassé dans le tableau principal, mais détaillé à part. Les trois éléments faisant l'objet de la correction sont en gras. On remarque l'absence de place pour l'hélium dans le bloc p alors qu'une case vide lui est destinée à côté de l'hydrogène. La présence de cette case vide aurait dû mettre la puce à l'oreille des chimistes car c'est la présence de cases vides qui a conduit à la découverte de nouveaux éléments. Sauf découverte d'éléments de numéros atomiques supérieurs à 118, cette présentation de la table de Mendeleïev, à la fois cohérente et compacte, devrait être définitive. Ces modifications ont déjà été proposées par d'autres [4, 7, 9, 10...] depuis Bohr et Pauli mais les chimistes ne veulent rien savoir et s'obstinent à vouloir utiliser des critères chimiques, variables selon les auteurs, ce qui explique les centaines de tables périodiques existantes. Ils se chamaillent entre eux [12] alors que le tableau de Mendeleiev peut être présenté selon un critère mathématique rigoureux issu de la mécanique quantique, connu sous le sigle fdps [10].

Références

[1] E.H. Wichmann, Physique quantique, Armand Colin, Paris, 1974.
[2] N. Bartlett, Xenon Hexafluoroplatinate(V) Xe+[PtF6]–. Proc. Chem. Soc. 1962 (June), 218.
[3] U. Fano, L. Fano, Basic physics of atoms and molecules,Wiley, New York, 1959.
[4] W.B. Jensen, The Positions of Lanthanum (Actinium) and Lutetium (Lawrencium) in the Periodic Table, Journal of Chemical Education, 1982, 59, p. 634-636.
[5] D.A. McQuarrie, P.A. Rock, Chimie générale, De Boeck université, Bruxelles, 1992.
[6] C. Janet, Concordance de l'arrangement quantique, de base, des électrons planétaires des atomes - avec la ification scalariforme, hélicoïdale, des éléments chimiques, Beauvais - Imprimerie départementale de l'Oise, 1930.
[7] M. Born, Atomic Physics, Dover, New York, 1989 (première édition en 1935).
[8] G.J. Leigh, H.A. Favre, W.V. Metanomski, Principes de nomenclature de la chimie, Introduction aux recommandations de l'IUPAC, De Boeck université,
[9] R. Ouahes, C. Ouahes, Chimie physique, Ellipses, Paris 1995.
[10] Bent, A., New Ideas in Chemistry from Fresh Energy for the Periodic Law. Authorhouse, Bloomington, IN, 2006
[11] Schaeffer, B., Relativités et quanta clarifiés, Publibook, 2007.
[12] Scerri E.R., The periodic table: its story and its significance, Oxford University Press US, 2007.

Cette proposition de Note (avec, ici, quelques modifications) à l'Académie des Sciences (section Chimie) a été refusée avec les arguments suivants: "Une présentation similaire a déjà été proposé (sic) de façon beaucoup plus astucieuse et sans violenter la Chimie par W. B. Jensen avec sa présentation pyramidale." (expert n°2). Ce n'est pas Jensen qui l'a trouvée, mais Bohr et Pauli. Cette présentation pyramidale était déjà préconisée en 1934 par des chimistes (Urbain G, Boll M, La Science, Larousse).

"La proposition de mettre He dans la même colonne que Be, Mg et Ca est totalement absurde car elle ne reflète pas du tout la chimie très différente de ces éléments." (expert n°3). La mécanique quantique est peut-être "totalement absurde", mais elle donne une interprétation à la fois mathématique et physique du tableau de Mendeleiev.

Il n'y a pas d'avis de l'expert n°1.

Voir aussi discussion sur Futura-sciences et mon livre "Relativités et quanta clarifiés" ainsi que "Quantum Mechanics Consistent Periodic Tables" où les principaux types de tables qu'on peut trouver dans les ouvrages de chimie sont présentés selon leur conformité à la mécanique quantique. Ils sont généralement conformes à 97% ou plus mais rares sont ceux qui le sont à 100%.

mardi 23 septembre 2008

Periodic table of the chemical elements quantum mechanics consistent

The usual periodic tables of the chemical elements are already 97 % in accord with quantum mechanics. Three elements only do not fit correctly into it, in disagreement with the Pauli exclusion principle[1]. In order to ensure coherence, it is put forward to place helium beside hydrogen into the s-block. Lutetium and lawrencium pertain to the d-block of the transition metals and should not be in the f block with the rare earths or the actinoids. By replacing the lanthanoids (rare earths or lanthanides) and actinoids (actinides) boxes of the official IUPAC periodic table by those of lutetium and lawrencium, with helium placed beside hydrogen, the compact periodic table is 100 % quantum mechanics correct.

History of the periodic table

The Mendeleev table is more than one century old. The number of columns was
6 in 1869, corrected to 8 in 1871, at the origin, based on atomic
masses with twelve lines and eight columns, corresponding approximately
to the s, p and d-blocks of quantum mechanics. The transition metals
were moved separately and the corresponding column was replaced by the
rare gases after their discovery by Ramsay. Moseley replaced the mass
with the atomic number as a classification criterion. The transuranians
were discovered by Seaborg who placed the lanthanoids and actinoids
separately, below the table, for reasons of compactness.

Various table shapes may be found in the literature. On the usual ones, one
line is a period with a total of 6 periods. Columns are grouped
approximately in four blocks named s, p, d, f, respectively for the
values 0, 1, 2, 3 of the second quantum number l. Each block contains
theoretically an even number of elements (a consequence of the Pauli
exclusion principle). They are given by the formula 2(2l + 1) e.g. 2,
6, 10, 14. On the IUPAC official table[2], shown on figure 1 there are
18 columns. Columns 3 to 12 form the d group, the transition metals,
formerly part of Mendeleev group VIII. Column VIII was then used for
the rare gases and renamed 18. The f block (l = 3) is apart.

Although updated many times, the periodic table has some anomalies shown on
figure 1 with question marks. There is a vacant box beside hydrogen and
a strange discontinuity below yttrium. With the advent of quantum
mechanics, the periodic table got a theoretical background that solves
these anomalies (in grey on figure 1 below).

Helium

It is well known that helium has a 1s2 structure, with two electrons,
which is a spherical mode of vibration, the same as hydrogen 1s1, with
one electron. Helium, pertaining to the s block, is usually placed with
the other rare gases in the p block[3] where the electronic structure is
np6 with six electrons in the outer shells instead of two for helium.
In 1962 Bartlett[4] showed that the noble gases were not so inert. There
exists compounds of xenon and krypton with fluor, chlorine, hydrogen,
platinum[4], gold[5] … There is no chemical reason any more to place
helium with the other noble gases6. The vacant box beside hydrogen
should filled with helium where it has its natural place, in accord
with quantum mechanics as put forward by Bohr in 1921[1].

Lutetium and lawrencium

Lutetium and lawrencium are traditionally considered as belonging respectively
to lanthanoids and actinoids having 15 elements each. According to the
Pauli exclusion principle, the f block contains an even maximum of 14
electrons. Lutetium (also named Cassiopium Cp) pertains to the d block
of the transition metals1 with 10 elements and therefore not to the
f-block of the lanthanoids. Lutetium is not included in the study of
the valency of rare earths by Strange et al[7]. According to Jensen[8],
physical and chemical properties unanimously favour the placement of
lutetium below scandium and yttrium and not within the lanthanoids.
This is also valid for the actinoids, mostly unknown at the time of
Bohr. A physical or chemical classification criterion seems difficult
to apply to the newly discovered actinoids that decay seconds after
they are formed[9].

Suggested updating of the periodic table (Figure 2 above)

Bent[6] recommends to place helium above beryllium. The exclusion principle is
therefore satisfied. Lutetium and lawrencium should be in the d-block
below scandium and yttrium. The lanthanoids and actinoids are now 14
each as predicted by quantum mechanics for the f block. The only
unambiguous classification criterion is the electronic structure, as
was put forward by Bohr and Pauli more than seventy years ago[1]. The
drawings show the nodes of the vibration modes of the outer shells of
the atoms [10].

References

1. Born M., Dougall J., Radcliffe J.M., Blin-Stoyle, R.J., Atomic Physics. Dover, New York, 1989 (first édition in 1935).
2. Holden, N.E. and Coplen Ty., The Periodic Table of the Elements. Chemistry International, 26, No. 1 January-February 2004
3. Scerri, E.R., Some aspects of the metaphysics of chemistry and the nature of the elements. HYLE. 11 (1-2), pp. 127-145, 2005.
4. Bartlett N., Xenon Hexafluoroplatinate(V) Xe+[PtF6]–. Proc. Chem. Soc. (June), 218, 1962.
5. Brisdon A.K., Halogens and Noble Gases. Annu. Rep. Prog. Chem., Sect. A, 97, 107–116, 2001.
6. Bent, A., New Ideas in Chemistry from Fresh Energy for the Periodic Law. Authorhouse, Bloomington, IN, 2006
7. Strange, P., Svane, A., Temmerman, W. M., Szotek, Z., Winter H.,
Understanding the valency of rare earths from first-principles theory.
Nature (London), 399, 756-758, 1999.
8. Jensen, W.B., The Positions of Lanthanum (Actinium) and Lutetium (Lawrencium) in the Periodic
Table. Journal of Chemical Education, 59, p. 634-636, 1982.
9. Kendall Powell, Heavy elements: A very brief encounter. Nature, 418, 815-816, 2002.
10. Schaeffer, B., Relativités et quanta clarifiés, Publibook, Paris, 2007