Un peu de chimie

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Mécanique quantique

L'équation de Schrödinger, la chimie quantique

En 1924, le physicien quantique français Louis de Broglie publia sa thèse, dans laquelle il  présenta une théorie révolutionnaire pour son époque des ondes électroniques basées sur la dualité onde-particule , les interprétations d’ondes et de particules de la lumière et de la matière étaient vues comme étant en contradiction, mais de Broglie  suggéra que ces caractéristiques apparemment différentes  sont les mêmes observées de manières différentes - que les particules peuvent se comporter comme des ondes , et que les ondes (rayonnement) peuvent se comporter comme des particules. La proposition de Broglie a offert une explication à la restriction de  mouvement des électrons dans l'atome. Les premières publications de l'idée de Broglie des “ ondes de matière “ attirèrent peu l'attention d'autres physiciens, mais une copie de sa thèse de doctorat finit par hasard par atteindre Einstein, dont la réaction fut enthousiaste. Einstein a souligné l'importance du travail de Broglie explicitement et en s’appuyant sur lui.

En 1925, le physicien autrichien Wolfgang Pauli  développa le principe d'exclusion de Pauli, qui stipule que deux électrons autour d'un noyau  dans un atome ne  peuvent pas occuper simultanément  le même état quantique  comme décrit par quatre nombres quantiques. Pauli a fait d'importantes contributions à la mécanique quantique et à la théorie quantique des champs - il a reçu le  Prix Nobel de physique  de 1945 pour sa découverte du principe d'exclusion de Pauli - ainsi qu’à la physique du solide et il  émit l'hypothèse avec succès de l’existence du neutrino. En plus de son travail d'origine, il  écrivit  des synthèses magistrales dans plusieurs domaines de la théorie physique qui sont considérés comme des classiques de la littérature scientifique.

L'équation de Schrödinger

En 1926, à l'âge de 39 ans, le physicien autrichien Erwin Schrödinger produisit  les documents qui ont donné les bases de la mécanique quantique ondulatoire quantique. Dans ces documents, il décrit son équation différentielle partielle qui est l'équation de base de la mécanique quantique et a  le même rapport avec la mécanique de l'atome que les équations de Newton l’ont avec le mouvement à l'astronomie planétaire. Adoptant une proposition faite par Louis de Broglie en 1924 que les particules de matière ont une double nature et que dans certaines situations elles agissent comme des ondes, Schrödinger introduisit une théorie décrivant le comportement d'un tel système par une équation d'onde qui est maintenant connu comme l'équation de Schrödinger. Les solutions de l'équation de Schrödinger, à la différence des solutions des équations de Newton, sont des fonctions d'onde qui ne peuvent être liés qu’à la probabilité d’apparition  des événements physiques. La séquence facilement visualisées des événements des orbites planétaires de Newton est, en mécanique quantique, remplacée par la notion plus abstraite de la probabilité. Le physicien allemand Werner Heisenberg a été l'un des créateurs principaux de la mécanique quantique. En 1925, Heisenberg découvrit un moyen de formuler la mécanique quantique en termes de matrices. Pour cette découverte, il  reçu le prix Nobel de physique en 1932. En 1927, il publia son principe d'incertitude, sur lequel il construit sa philosophie et pour lequel il est le plus connu. Heisenberg a été en mesure de démontrer que si on étudie un électron dans un atome, on pourrait dire où il est (l'emplacement de l'électron) ou où il va (la vitesse de l'électron), mais qu’il était impossible d'exprimer les deux en même temps. Il a également fait des contributions importantes aux théories de l'hydrodynamique des écoulements turbulents, le noyau atomique, le ferromagnétisme, les rayons cosmiques et les particules subatomiques et il a joué un rôle dans la planification du premier réacteur nucléaire de l’Allemagne de l’ouest à Karlsruhe, en même temps qu’un réacteur de recherche à Munich , en 1957. Une controverse considérable entoure son travail sur la recherche atomique pendant la Seconde Guerre Mondiale.

La chimie quantique

Certains voient la naissance de la chimie quantique dans la découverte de l'équation de Schrödinger et son application à l'atome d'hydrogène en 1926.  Cependant, l’article de 1927  de Walter Heitler et Fritz London  est souvent reconnu comme la première étape de l’ histoire de la chimie quantique. C’est la première application de la mécanique quantique à la molécule diatomique d’hydrogène, et donc au phénomène de la liaison chimique. Pendant les années qui ont suivi,  beaucoup de progrès a été accompli par Edward Teller, Robert S. Mulliken, Max Born, J. Robert Oppenheimer, Linus Pauling, Erich Hückel, Douglas Hartree, Vladimir Alexandrovitch Fock, pour ne citer que quelques-uns. Pourtant, le scepticisme  resta  général sur la possibilité d’appliquer la mécanique quantique aux systèmes chimiques complexes. La situation aux alentours de 1930 est décrite par Paul Dirac:

”Les lois physiques sous-jacentes nécessaires à la théorie mathématique d'une grande partie de la physique et de l'ensemble de la chimie sont donc complètement connues, et la difficulté est seulement dans l'application exacte de ces lois conduit à des équations beaucoup trop compliquées pour être solubles. Il devient donc souhaitable que des méthodes pratiques approximatives de l'application de la mécanique quantique soient développés, ce qui peut conduire à une explication des principales caractéristiques des systèmes atomiques complexes sans trop de calcul.

Par conséquent, les méthodes de la mécanique quantique développées dans les années 1930 et 1940 sont plus souvent destinées à appliquer la mécanique quantique à la chimie ou à la spectrographie qu'à répondre à des questions chimiques essentielles. En 1951, un article de base de la chimie quantique est l'article de Clemens Roothaan sur les équations de Roothaan.  Il a ouvert la voie à la solution des équations de champ auto-cohérent pour les petites molécules du type de l’hydrogen ou de l’azote. Ces calculs ont été effectués à l'aide de tables d'intégrales qui ont été calculées sur les ordinateurs les plus avancés de l'époque.

Dans les années 1940 de nombreux physiciens se détournèrent de la physique moléculaire ou atomique vers la physique nucléaire (comme J. Robert Oppenheimer ou Edward Teller). Glenn T. Seaborg est un chimiste nucléaire américain le plus connu pour son travail sur l'isolement et l'identification des éléments transuraniens (les plus lourds que l'uranium). Il a partagé le prix Nobel 1951 de chimie avec Edwin Mattison McMillan pour leurs découvertes indépendantes des éléments transuraniens. Le seaborgium a été nommé en son honneur, il est la seule personne qui, avec Albert Einstein, dont le nom a servi à nommer un élément.