Prise en main

Ce simulateur permet de représenter les positions possibles des électrons d'un atome, pour tous les atomes de numéro atomique inférieur ou égal à 18.

1. Interprétation de la représentation d'un atome

a. Exemple de l'atome d'hydrogène

Lorsque le simulateur est ouvert, cliquer sur la case de l'atome d'hydrogène H, dans la classification périodique restreinte. Un ensemble de points s'affiche dans la zone noire de l'écran. Il faut bien comprendre qu'un point ne représente pas un électron, mais représente une position possible de l'unique électron (de la couche K) de l'atome d'hydrogène. 

Cela signifie que, dans les zones de l'image où les points sont très resserrés, les positions possibles de l'électron sont plus nombreuses et donc que l'électron a plus de chance de s'y trouver. On dit aussi qu'il est plus probable que l'électron soit dans une telle zone.

Au contraire, dans les zones où les points sont plus espacés, la présence de l'électron est moins probable.

Il faut se rappeler également que l'électron est sans cesse en mouvement autour du noyau, mais sans avoir de trajectoire particulière. Cette représentation met donc en évidence les endroits où l'électron passera le plus souvent (zones de points resserrés) et ceux où l'électron ne passera que de temps en temps (zones de points espacés).
Par exemple, sur l'image obtenue pour l'atome d'hydrogène, on voit que dans la zone centrale de rayon d'environ 0,6 · 10–10 m, les points sont très resserrés : l'électron en mouvement sera la plus grande partie du temps à l'intérieur d'une sphère de rayon 0,6 · 10–10 m. Au-delà, les points sont plus espacés, donc l'électron ne passera que rarement par ces positions. Enfin, lorsque la distance au centre est plus grande que 2 · 10–10 m, il n'y a plus de points sur l'image (ou quasiment plus) : l'électron ne passera jamais dans de tels endroits où alors de façon exceptionnelle.

On définit le rayon de la couche K de l'atome d'hydrogène par la limite au-delà de laquelle l'électron de cette couche aura peu de chance de se trouver. Il est donc égal à la distance, par rapport au centre de l'image, à partir de laquelle les points commencent à être plus espacés, c'est-à-dire  0,6.10–10 m (0,59.10–10 m, en toute rigueur, mais la représentation ne permet pas de déterminer précisément cette valeur).

Remarques :

· La taille de l'atome (différente de la taille d'une couche de cet atome) est liée à la taille de la zone de l'écran dans laquelle il y a des points. A la même échelle, les images générées par ce simulateur permettent de comparer les tailles des différents atomes : plus le rayon de la couche externe est grand, plus la taille de l'atome considéré est grande.

· Le noyau de l'atome n'est pas représenté sur cette figure car sa dimension étant de l'ordre de 10–15 m, il faudrait un écran de 100 m de côté pour pouvoir représenter à la fois le noyau (par un point d'un millimètre de diamètre) et les positions possibles de ses électrons. Le fait qu'il y ait des points dans la zone centrale de l'écran, ne signifie donc pas que les électrons peuvent s'approcher très près du noyau.

b. Application 

Afficher la représentation de l'atome d'hélium. Que peut-on dire de la taille de cet atome, par rapport à la taille de l'atome d'hydrogène ? Déterminer une valeur approchée du rayon de sa couche K.

Réponse : l'atome d'hélium est plus petit que l'atome d'hydrogène, car la zone de l'écran dans laquelle il y a des points est plus petite pour l'atome d'hélium que pour l'atome d'hydrogène. La valeur approchée du rayon de sa couche K se détermine en regardant à partir de quelle distance, par rapport au centre de l'image, les points commencent à être plus espacés. En utilisant l'échelle 10–10 m affichée, on trouve une valeur de 0,3.10–10 m.

2. Couches électroniques

a. Exemple de l'atome de silicium

Cliquer sur la case « silicium Si » dans la classification périodique restreinte. Un ensemble de points de différentes couleurs s'affiche dans la zone noire de l'écran. Chaque couleur est associée à une couche électronique de l'atome, comme indiqué en légende en bas à gauche de l'écran. L'atome de silicium a 14 électrons (Z=14) et sa structure électronique est (K)2(L)8(M)4. La représentation affichée permet donc de visualiser les positions possibles des deux électrons de la couche K (points bleus), des 8 électrons de la couche L (points rouges) et des 4 électrons de la couche M (points jaunes).

On constate que la couche K est la plus proche du noyau car tous les points bleus sont regroupés au centre. La couche L se situe au delà de la couche K et la couche M est encore plus éloignée.

Il est possible de changer la couleur des points associés à une couche donnée. Pour cela, cliquer sur le carré coloré de la couche L, par exemple. Une palette de couleurs apparaît à l'écran.

· Dans cette palette, on peut choisir une couleur de base, en cliquant sur le rectangle de la couleur voulue.

· On peut également définir une nouvelle couleur. Pour cela, cliquer dans le carré multicolore, dans la zone de la couleur souhaitée. Dans la barre verticale à droite, une échelle de teinte de cette couleur apparaît : elle permet d'affiner le choix de la couleur par le déplacement du curseur. Ce déplacement modifie les nombres associés à la teinte, la saturation (Satur), la luminosité (Lum), le rouge, le vert ou le bleu. Ces nombres peuvent être modifiés directement, en entrant les nouvelles valeurs dans les cases correspondantes.
La couleur effectivement sélectionnée pour la couche considérée est celle du rectangle « couleur unie ».

Remarque : le bouton « Ajouter aux couleurs personnalisées » permet de mettre dans la palette « Couleur personnalisée » la couleur sélectionnée afin de la conserver et d'y accéder facilement à chaque ouverture de la fenêtre « Couleur ».
 
Une fois la couleur de la couche choisie, cliquer sur OK. La fenêtre « couleur » se ferme et pour que la modification souhaitée soit prise en compte, il faut cliquer sur « Actualiser », bouton situé à gauche de la barre d'outil en haut de l'écran.

b. Application

Changer les couleurs des couches K, L et M de l'atome de silicium. Comment peut-on faire pour que la couche L ne soit pas représentée ?

Réponse : il suffit de lui associer la couleur noire.

c. Généralisation 

Pour un atome donné, cliquer sur la case correspondante dans la classification restreinte pour obtenir la représentation de sa structure électronique. Les points représentants chaque couche électronique s'interprètent exactement de la même façon que celle décrite dans le paragraphe 1 sur l'atome d'hydrogène.

Rayon d'une couche
Pour chacune des couches, on peut définir son rayon par la distance du centre de l'image à l'endroit où les points de la couche considérée sont les plus resserrés.

d. Application

Comparer les dimensions des atomes de sodium Na, silicium Si et d'argon Ar et classer ces atomes par ordre de taille décroissante.
Prévoir la position de l'atome de magnésium dans ce classement. Vérifier votre prévision avec le simulateur.
Pour l'atome d'argon, déterminer les valeurs approchées des rayons des couches K, L et M.

Réponses :
Le classement des atomes par taille décroissante est le suivant : Na, Si, Ar. On constate que le long d'une période, le rayon de l'atome diminue. Dans ce classement, l'atome de magnésium se positionne donc entre l'atome de sodium et de silicium.
Valeurs approchées des rayons des couches électroniques :
· Couche K : rayon sur le schéma = 1 mm donc rayon de la couche= 0,05.10-10 m.
· Couche L : rayon sur le schéma = 3 mm donc rayon de la couche = 0,14.10-10 m.
· Couche M : rayon sur le schéma = 15 mm donc rayon de la couche = 0,7.10-10 m.

3. Autres fonctions du simulateur

a. Focus

Cette fonction permet de restreindre l'image générée aux positions les plus probables des électrons. Lorsque le focus augmente, de moins en moins de positions sont représentées ; lorsqu'il est maximal, seuls les endroits où « la chance » de trouver un électron est maximale sont représentés.
Pour modifier la valeur du focus, placer le curseur correspondant, par exemple au milieu de la barre. Pour que cette modification soit prise en compte pour l'atome sélectionné (ici l'argon), cliquer sur « Actualiser ». Observer la figure obtenue.
Répéter cette opération pour un focus maximal.

Application

Dans cette configuration (focus maximal), déterminer à nouveau les valeurs approchées des  rayons des couches électroniques de l'atome d'argon.
Quel est le focus qui permet une détermination la plus précise possible du rayon d'une couche donnée ?

Réponse : on trouve approximativement les mêmes valeurs que celles déterminées avec un focus minimal. On remarque que la mesure sur l'écran du rayon d'une couche donnée est plus facile à réaliser lorsque le focus est maximal car les points sont plus resserrés. La mesure est donc plus précise dans ce cas.

Conclusion 

Pour représenter « l'espace » occupé par les couches électroniques d'un atome, on choisira un petit focus. En revanche, pour estimer la taille d'une couche, on choisira un focus maximal. Dans ce cas, le rayon de la couche est la distance moyenne du centre de l'atome à la couche considérée.

b. Nombre de points

Cette fonction permet de choisir le nombre de points qui composent l'image. Pour modifier le nombre de points utilisés, déplacer le curseur correspondant le plus à droite possible (en ayant placé le curseur du focus au minimum). « Actualiser » pour observer la figure.
De la même façon, observer les images obtenues pour l'atome d'argon, pour différentes positions du curseur « nombre de point ». On constate que l'image est meilleure lorsque le nombre de points est maximal, par contre le temps de calcul est plus long.

c. Zoom

Cette fonction permet de changer l'échelle de la représentation. Sélectionner un focus minimal, un nombre de points moyen. Observer la représentation de l'atome de chlore. Déplacer à présent le curseur du zoom vers la droite et observer les représentations de l'atome de chlore, pour plusieurs positions de ce curseur (après chaque changement de position du curseur, il faut « Actualiser » pour observer la nouvelle figure). Lorsque le zoom est maximal, la largeur de la figure représente environ 10–10 m.

Cette fonction est donc intéressante, car elle permet d'occuper au mieux la zone de l'écran utilisée pour représenter un atome. Elle permet également d'évaluer plus précisément la taille d'une couche donnée, en réglant le curseur pour que la couche considérée occupe la plus grande partie possible de l'écran.

Application 

· Déterminer les atomes pour lesquels il est intéressant d'augmenter le zoom. 

· En utilisant le zoom, réaliser à nouveau une estimation du rayon de la couche K de l'atome d'argon. Sachant que la valeur théorique est 0,3.10–10 m = 30 nm, constater que la mesure est effectivement plus précise lorsque le zoom est maximal.

Réponse : il est intéressant d'augmenter le zoom pour tous atomes, sauf pour le lithium (Li), le sodium (Na et le magnésium (Mg).
En effet, pour tous ces atomes, lorsque le curseur du zoom est au minimum, tout l'écran n'est pas utilisé.

Lorsque le zoom, le nombre de points et le focus sont maximaux, la mesure du diamètre « apparent » de la couche K est de 7 mm. D'autre part 11,6 cm (soit 116 mm) représentent 10–10 m. Le rayon de la couche K de l'atome d'argon est donc égal à :
3,5/116´10–10 = 0,03. 10–10 m.
Cette valeur correspond à la valeur théorique, ce qui montre bien que la précision est meilleure dans ce cas.

4. Enregistrer

Pour conserver les paramètres choisis (couleurs, focus, nombre de point et zoom) lors de la fermeture du simulateur, il est nécessaire de les enregistrer. 
Pour cela, cliquer sur le bouton « Enregistrer » de la barre de menu supérieure. La fenêtre « Enregistrer les paramètres » apparaît.
Dans cette fenêtre, sélectionner le lecteur « C: » (disque dur). Sélectionner également le répertoire dans lequel doit être effectué l'enregistrement. Choisir et inscrire le nom du fichier dans l'emplacement prévu, par exemple Magnésium1. Enfin, cliquer sur le bouton « Enregistrer ».

5. Ouvrir une configuration

Pour accéder à un fichier comportant une configuration relative à un atome, cliquer sur le bouton « Ouvrir » de la barre de menu supérieure. La fenêtre « Ouvrir une configuration » apparaît. Dans cette fenêtre, sélectionner le lecteur « C: » (disque dur). Sélectionner également le répertoire dans lequel se trouve le fichier. Enfin, dans ce répertoire, sélectionner le fichier à ouvrir puis cliquer sur le bouton « ouvrir ». Le simulateur effectue alors la représentation de l'atome avec les paramètres voulus.

6. Exportation d'images dans d'autres fichiers

La représentation d'un atome réalisée dans ce simulateur peut être utilisée dans une autre application de l'ordinateur, comme par exemple Word ou Paint.
Pour cela, cliquer sur le bouton « Copier » de la barre de menu supérieure. Ensuite, dans Word, par exemple, il suffit de cliquer sur « Edition », puis sur « Coller », pour que l'image sélectionnée soit insérée dans le fichier voulu.

7. Imprimer une représentation

Pour imprimer une représentation, cliquer sur le bouton « Imprimer » dans la barre de menu supérieure. Une fenêtre apparaît : elle permet de choisir le centrage de la figure sur le papier ainsi que le nombre d'exemplaire à imprimer.