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.
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%.