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Structure atomique

enveloppe atomique
noyau atomique
protons
neutrons
électrons

Figure 1 : Modèle simple d’un atome d’Hélium.

enveloppe atomique
noyau atomique
protons
neutrons
électrons

Figure 1 : Modèle simple d’un atome d’Hélium.

Structure atomique

Un atome est composé d’un noyau, lui-même formé d’un nombre de protons de charge positive et de neutrons, entouré d’un nombre égal d’électrons de charge négative. Les différents éléments présents dans la nature se différencient par le nombre de protons contenus dans le noyau.

Les neutrons, de masse égale au proton, jouent un rôle de « séparateurs » entre les protons afin que la force nucléaire soit suffisante pour les maintenir ensemble sans que la force électrique de répulsion ne les éloigne. Un même élément peut avoir divers nombre de neutrons ce qui en détermine l’isotope (ex. l’uranium (U) a toujours 92 protons mais peut être associé à un nombre variable de neutrons, donnant en particulier l’U235 et l’U238).

Les électrons tournant autour du noyau sont en nombre égal au nombre de protons dans le noyau, dans un atome non ionisé, mais ils sont 1 827 fois plus légers. Ils orbitent autour du noyau et leur déplacement entre les atomes voisins ou entre les niveaux orbitaux déterminent les caractéristiques électriques de chaque élément. Pour passer à une orbite supérieure, l’électron doit recevoir de l’énergie pour vaincre l’attraction du noyau, et il en perd lorsqu’il descend vers un niveau plus proche de ce dernier.

L’énergie totale d’un électron est la somme de son énergie cinétique, due à son déplacement le long de l’orbite, et d’énergie potentielle due à l’éloignement de l’orbite par rapport au noyau. Elle est le principal facteur qui détermine le rayon de l’orbite de l’électron.

Orbite N
Orbite M
Orbite L
Orbite K

Figure 2 : Atome de cuivre.

Orbite N
Orbite M
Orbite L
Orbite K

Figure 2 : Atome de cuivre.

Il est à noter que les orbites prisent par les électrons pour un atome donné ne forment pas un continuum mais se situent à des niveaux énergétiques bien précis et le passage entre ces niveaux implique donc une échange d’énergie lui aussi très précis. En plus de l’énergie de l’orbite à laquelle se trouve un électron, il ne peut y avoir qu’un nombre discret d’électrons à ce niveau donné (principe d’exclusion de Pauli).

Orbite K2 électrons(n=1)
Orbite L8 électrons(n=2)
Orbite M18 électrons(n=3)
Orbite N32 électrons(n=4)

Tableau 1: Le nombre d’électrons permis à chaque orbite selon principe d’exclusion de Pauli.

Le principe de Pauli dit que les électrons ne peuvent se trouver au même endroit dans le même état quantique, celui-ci étant déterminé par quatre variables. En simplifiant, cela veut dire que le nombre maximum d’électrons dans une couche «n» est égal à 2·n2 où n débute à 1pour le premier niveau. Le tableau 1 montre la progression du nombre possibles d’électrons dans une couche avec le n. On peut visualiser cela comme une série de sphères concentriques dont la distance au noyau augmente de façon non linéaire et qui sont de plus en plus populeuses

Le nombre n de niveaux stables dépend du nombre de protons et les électrons occupant des niveaux supérieurs à ceux-ci sont dits « excités » et redescendent rapidement à un niveau inférieur en émettant un photon.

Mécanique quantique

Comme vu précédemment, les électrons ne peuvent occuper que certaines orbites autour du noyau atomique dont les énergies sont discrètes. Le passage d’une orbite à une autre supérieure se fait en donnant de l’énergie sous forme de photons, de charge électrique ou par collision mais seulement la portion qui correspond à la différence d’énergie entre les deux niveaux est utilisées. C’est ce qu’on nombre le quanta d’énergie et les échanges correspondent donc aux concepts de la mécanique quantique. Il n’y aura pas de changement d’orbite si l’énergie fournie n’atteint pas le quanta nécessaire et si elle le dépasse, le reste sera réémis. De manière inverse, les électrons peuvent descendre d’orbite en émettant un photon dont l’énergie sera exactement la différence d’énergie entre les deux orbites.

Si la quantité d’énergie est assez grande pour atteindre une orbite de rayon infini. Comme dans le cas d’une fusée échappant à l’attraction terrestre, l’électron sera éjecté hors de l’atome. Ce dernier a maintenant une charge totale positive, les électrons n’annulant plus exactement la charge des protons, et on parle d’ion positif. Il est également possible pour un électron libre d’être capturé par un atome ce qui donne un ion négatif. On parle donc d’ionisation dans les deux cas ce qui change l’énergie interne de la couche électronique de l’atome.

Bande de conduction
Bande interdite
Bande de valence

Figure 3 : Distribution des orbites dans un atome.

Bande de conduction
Bande
interdite
Bande de valence
Largeur de
bande interdite

Figure 3 : Distribution des orbites dans un atome.

Solides

Jusqu’à présent, il n’était question que du comportement d’un atome isolé. Si on prend un grand nombre d’atomes, les échanges entre ceux-ci dépendent de l’état de la matière. Si les atomes sont très éloignés les un des autres et qu’ils ont peu d’influence électrique entre eux, on a affaire à un gaz. Les atomes se comportent alors de façon assez similaire à des atomes isolés. Par contre, si les atomes sont assez rapprochés pour devoir prendre une structure plus ou moins rigide, on a affaire à un solide. L’influence des changements électriques entre les atomes dans ce cas est très important ce qui modifie les échanges entres les électrons de la couche externes des atomes.

La figure 3 montre la différence d’énergie entre deux orbites dans un atome (à gauche) et dans un solide (à droite). L’énergie de chaque orbite dans le cas d’un atome isolé (boule rouge) est très précise alors que dans un solide, bien que la largeur de bande interdite entre deux orbites reste une valeur discrète, les orbites individuelles occupent maintenant une certaine plage de valeur d’énergie. Une conséquence de la proximité des atomes est donc que les orbites des atomes individuels tendent à devenir floues pour plutôt former des bandes énergétiques inter-atomes. Ces bandes énergétiques ont encore une nature discrète mais prennent une certaine plage de valeur. Dans certains cas, ces bandes peuvent devenir tellement larges qu’elles peuvent se recouper.

La bande supérieur dans la figure 3 est appelée la bande de conduction. Il s’agit d’une bande d'énergie vide ou partiellement occupée d'un solide cristallin et dont les électrons peuvent être extraits par l'action d'un champ électrique externe. Les matériaux ayant un grand nombre d’électrons dans cette bande sont de bons conducteurs d’électricité.

Sous la bande de conduction se trouve la bande interdite, ou largeur de bande interdite. Les électrons ne peuvent se retrouver dans les orbites ayant cette énergie selon la mécanique quantique.

On retrouve ensuite la bande de valence où les électrons sont plus attachés à leur atome. Elle est composé d’une série d’orbitales dont les électrons, dits de valence, peuvent être élevés à la bande de conduction par apport d’énergie, habituellement thermique. Sous cette bande se trouve finalement d’autres bandes orbitales qu’il n’est pas essentiel de décrire pour le comportement des semi-conducteurs.

Bande de conduction
Bande
interdite
Bande de valence
isolant
semi-
conducteur
conducteur

Figure 4 : Diagramme simplifié des bandes énergétiques dans différents matériaux

Bande de conduction
Bande
interdite
Bande de valence
isolant
semi-
conducteur
conducteur

Figure 4 : Diagramme simplifié des bandes énergétiques dans différents matériaux

Le concept de bande énergétique est particulièrement utile pour classer les propriétés conductrices d’un matériau. Un électron des couches extérieures ne peut être que dans la couche de valence ou celle de conduction. Dès qu’un électron se retrouve dans la couche de conduction, il peut être utilisé pour transporter un courant électrique et la seule façon de l’y amener depuis la bande de valence est de lui fournir l’énergie pour passer de la bande de valence à celle de conduction.

La largeur de bande interdite est donc le facteur qui distinguera les conducteurs des isolants et de semi-conducteurs. La figure 4 montre que plus la zone interdite est grande plus le matériau aura des propriétés isolantes car il requiert plus d’énergie pour y amener les électrons depuis la couche de valence.

Les bons conducteurs ont une largeur de bande interdite nulle et le transfert d’électrons y est facile à n’importe quelle tension électrique. Les isolants ont une grande différence d’énergie entre leurs couches de conduction et de valence qu’il est difficile de vaincre. Les semi-conducteurs sont un cas mitoyen: ils agissent comme un isolant si la tension électrique est inférieure à l’énergie de la bande interdite mais deviennent des conducteurs si la tension dépasse ce seuil.