La physique quantique 3
ou
Fermions, bosons et ségrégation quantique
PRINCIPE
D'EXCLUSION DE PAULI, FERMIONS ET BOSONS
Cette
loi fondamentale de la physique quantique fut énoncée pour
la première fois par le physicien Wolfgang Pauli en 1925.
Toutes les particules d'un même type ont une nature
identique mais peuvent avoir des propriétés différentes.
Par exemple, les électrons d'un même atome ont des énergies
(liées à leurs orbites) différentes. Chaque particule
possède ainsi un certain nombre de propriétés propres
qui forment "l'état de la particule". Parmi ces propriétés
citons:
Dès lors une question se pose:
Deux particules identiques (deux électrons
par exemple) peuvent-elles exister dans le même état physique,
c'est-à-dire avoir la même énergie, la même localisation,
etc?
La réponse à cette question clive le monde
des particules en deux camps bien séparés:
Deux fermions identiques ne peuvent donc pas coexister
au même endroit et dans le même état: cette interdiction
s'appelle le principe d'exclusion de Pauli. Ce principe ne s'applique
pas
aux bosons.
Dans un atome, deux électrons (fermions) peuvent
donc avoir la même énergie à condition que leur spin
soit différent. Ceci explique le remplissage progressif du tableau
périodique de Mendéléiev, c'est-à-dire la structure
électronique des atomes.
Chaque orbitale électronique comporte un nombre
donné de cases quantiques disponibles; chacune ne pouvant être
occupée que par un seul électron. Par exemple la première
orbitale ou couche électronique (la plus rapprochée du noyau)
ne peut contenir que deux électrons qui ont la même énergie
mais des spins opposés (+1/2 et -1/2).
A noter que
tous les fermions ont des spins de valeur demi-entière |
Le fait que ce principe d'exclusion s'applique aux fermions
est fondamental pour nous:
en effet, cela fait des fermions les "vraies" particules
de matière. Si on les force à se rapprocher très très
près les uns des autres et en vertu de ce principe d'exclusion,
les fermions vont se repousser violemment (pression quantique) puisqu'ils
ne peuvent pas exister au même endroit. La matière est ainsi
répartie dans l'espace.
Les fermions sont donc des particules très individualistes,
à l'opposé des bosons qui sont très grégaires!
Quant aux bosons, nous verrons qu'ils s'agit de particules-médiateurs
des forces fondamentales de la nature.
Le
formalisme quantique: l'atome mathématique
Depuis
le milieu des années 1930, l'atome est devenu une description mathématique
très difficile à transcrire en images.
La physique quantique se fonde intégralement sur
ce que l'on appelle un formalisme, c'est-à-dire un ensemble
de principes, de concepts mathématiques, d'équations et de
règles précisément établies.Ce formalisme conduit
à représenter tous les systèmes physiques, quelle
que soit leur nature (ondulatoire ou corpusculaire), par des entités
mathématiques, les vecteurs d'état, qui ont la propriété
de pouvoir s'ajouter entre eux: la somme de deux états possibles
d'un système physique est encore un état possible du système.
Ce principe fondamental, appelé PRINCIPE DE SUPERPOSITION,
constitue la base du formalisme quantique.(voir le
paradoxe du chat)
Un autre concept fondamental est celui de fonction
d'onde définie ainsi (que les non matheux sautent ce paragraphe
d'urgence !):
Fonction à valeurs complexes, définie sur le continuum d'espace-temps, dont le carré du module représente la densité de probabilité de présence d'un électron de l'atome, en un point de l'espace et à un instant donné. |
Que cela soit dit !
Telle est la nouvelle vision de l'atome valable depuis les années 30.