Nombre quantique secondaire

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En mécanique quantique, le nombre quantique secondaire, noté , également appelé nombre quantique azimutal, est l'un des quatre nombres quantiques décrivant l'état quantique d'un électron dans un atome. Il s'agit d'un nombre entier positif ou nul lié au nombre quantique principal n par la relation : 0 ≤ n – 1. Il correspond au moment angulaire orbital de l'électron, et définit les sous-couches électroniques des atomes, tandis que le nombre quantique principal n définit les couches électroniques. Il a été introduit par Arnold Sommerfeld[1] à partir du modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène et rendre compte de la structure fine du spectre de l'atome d'hydrogène.

L'opérateur de moment cinétique L de l'électron dans un atome est lié au nombre par la relation :

L2 Ψ = 2 ( + 1) Ψ,

où ℏ est la constante de Planck réduite et Ψ la fonction d'onde de l'électron.

Les sous-couches électroniques sont désignées par des lettres dépendant du nombre issues, pour les quatre premières, d'une dénomination historique héritée de la spectroscopie des métaux alcalins, et pour les suivantes de l'ordre alphabétique excluant les quatre premières ainsi que la lettre j :

Géométrie des orbitales atomiques, dépendante notamment du nombre .
Valeur
de
Lettre Nom Nombre maximum
d'électrons
Géométrie
0 s sharp 2 sphère
1 p principal 6 2 lobes
2 d diffuse 10 4 lobes
3 f fundamental 14 8 lobes
4 g 18
5 h 22
6 i 26

Chaque sous-couche peut recevoir au plus 2(2 + 1) électrons. Le nombre conditionne également le nombre de plans nodaux des orbitales atomiques traversant le noyau atomique. Pour = 0 (sous-couche de type s), aucun plan nodal ne traverse le noyau, de sorte que l'orbitale est sphérique. Le moment angulaire de l'électron est alors nul, et de telles orbitales étaient de ce fait qualifiées de pendulaires au début du siècle dernier[2]. Pour = 1 (sous-couche de type p), un plan nodal traverse le noyau, et les orbitales prennent la forme d'haltères, avec deux lobes.

Composition du vecteur de moment angulaire total J à partir du vecteur de moment cinétique orbital L et du vecteur de moment cinétique de spin S.

Le nombre quantique de moment angulaire total, noté j, est lié à à travers le vecteur de moment angulaire total J par les relations :

J = L + S
| J | = j ( j + 1 )

L est le vecteur de moment angulaire, S le vecteur de spin de l'électron, et ℏ la constante de Planck réduite.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Robert Eisberg, Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles, John Wiley & Sons Inc., 1974, New York, pp. 114–117. (ISBN 978-0-471-23464-7)
  2. (en) R. B. Lindsay, « Note on "Pendulum" Orbits in Atomic Models. », Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 13, no 6,‎ , p. 413-419 (PMID 16587189, PMCID 1085028, DOI 10.1073/pnas.13.6.413, Bibcode 1927PNAS...13..413L, lire en ligne)