Modèle atomique de Heisenberg: caractéristiques et limites

Le modèle atomique de Heisenberg (1927) introduit le principe d'incertitude dans les orbitales des électrons qui entourent le noyau de l'atome. L'excellent physicien allemand a établi les bases de la mécanique quantique pour estimer le comportement des particules subatomiques constituant un atome.

Le principe d'incertitude de Werner Heisenberg indique qu'il n'est pas possible de connaître avec certitude ni la position ni le moment linéaire d'un électron. Le même principe s’applique aux variables temps et énergie; c'est-à-dire que si nous avons une indication de la position de l'électron, nous ne connaîtrons pas la quantité de mouvement linéaire de l'électron, et inversement.

En bref, il n’est pas possible de prédire la valeur des deux variables simultanément. Ce qui précède n'implique pas qu'aucune des grandeurs mentionnées précédemment ne puisse être connue avec précision. Tant qu'il est séparé, il n'y a aucun obstacle pour obtenir la valeur de l'intérêt.

Cependant, l'incertitude se produit lorsqu'il s'agit de connaître simultanément deux grandeurs conjuguées, comme c'est le cas de la position et du moment linéaire, et du temps à côté de l'énergie.

Ce principe découle d'un raisonnement strictement théorique, en tant que seule explication viable pour justifier les observations scientifiques.

Caractéristiques

En mars 1927, Heisenberg publia ses travaux sur le contenu perceptuel de la cinématique et de la mécanique quantiques, où il exposa en détail le principe d'incertitude ou d'indétermination.

Ce principe, fondamental dans le modèle atomique proposé par Heisenberg, est caractérisé par ce qui suit:

- Le principe d'incertitude apparaît comme une explication qui complète les nouvelles théories atomiques sur le comportement des électrons. Malgré l'utilisation d'instruments de mesure avec une précision et une sensibilité élevées, l'indétermination est toujours présente dans tout test expérimental.

- En raison du principe d'incertitude, lors de l'analyse de deux variables liées, si l'une d'entre elles possède une connaissance précise de l'une d'elles, l'indétermination de la valeur de l'autre variable augmentera.

- Le moment linéaire et la position d'un électron, ou d'une autre particule subatomique, ne peuvent pas être mesurés en même temps.

- La relation entre les deux variables est donnée par une inégalité. Selon Heisenberg, le produit des variations du moment linéaire et de la position de la particule est toujours supérieur au quotient entre la constante de Plank (6.62606957 (29) × 10 -34 Jules x secondes) et 4π, comme indiqué en détail dans l'expression mathématique suivante:

La légende correspondant à cette expression est la suivante:

Δp: indétermination du moment linéaire.

Δx: indétermination du poste.

h: constante de planche.

π: nombre pi 3.14.

- Compte tenu de ce qui précède, le produit des incertitudes a pour limite inférieure la relation h / 4π, qui est une valeur constante. Par conséquent, si l’une des grandeurs tend vers zéro, l’autre doit augmenter dans la même proportion.

- Cette relation est valable pour toutes les paires de grandeurs canoniques conjuguées. Par exemple: le principe d’incertitude de Heisenberg s’applique parfaitement au couple énergie-temps, comme détaillé ci-dessous:

Dans cette expression:

ΔE: indétermination de l'énergie.

Δt: indétermination du temps.

h: constante de planche.

π: nombre pi 3.14.

- On déduit de ce modèle que le déterminisme causal absolu dans les variables canoniques conjuguées est impossible, car pour établir cette relation, il faut connaître les valeurs initiales des variables d'étude.

- Par conséquent, le modèle de Heisenberg est basé sur des formulations probabilistes, en raison du caractère aléatoire qui existe entre les variables aux niveaux subatomiques.

Tests expérimentaux

Le principe d'incertitude de Heisenberg apparaît comme la seule explication possible des tests expérimentaux réalisés au cours des trois premières décennies du XXIe siècle.

Avant qu'Heisenberg n'énonce le principe d'incertitude, les préceptes en vigueur suggéraient alors que les variables moment linéaire, position, moment angulaire, temps, énergie, entre autres, pour les particules subatomiques étaient définies de manière opérationnelle.

Cela signifiait qu'ils étaient traités comme s'il s'agissait de physique classique; en d'autres termes, une valeur initiale a été mesurée et la valeur finale a été estimée selon la procédure préétablie.

Ce qui précède impliquait la définition d’un système de référence pour les mesures, de l’instrument de mesure et de son mode d’utilisation, selon la méthode scientifique.

Selon cela, les variables décrites par les particules subatomiques devaient se comporter de manière déterministe. C'est-à-dire que son comportement devait être prédit avec précision et précision.

Cependant, chaque fois qu'un test de cette nature était effectué, il était impossible d'obtenir la valeur estimée théoriquement dans la mesure.

Les mesures ont été mal représentées en raison des conditions naturelles de l'expérience et le résultat obtenu n'a pas été utile pour enrichir la théorie atomique.

Exemple

Par exemple: s'il s'agit de mesurer la vitesse et la position d'un électron, l'ensemble de l'expérience doit envisager la collision d'un photon de lumière avec l'électron.

Cette collision induit une variation de la vitesse et de la position intrinsèque de l'électron, avec laquelle l'objet de la mesure est modifié par les conditions expérimentales.

Par conséquent, le chercheur encourage la survenue d’une erreur expérimentale inévitable, malgré l’exactitude et la précision des instruments utilisés.

Mécanique quantique différente de la mécanique classique

En plus de ce qui précède, le principe d'indétermination de Heisenberg stipule que, par définition, la mécanique quantique fonctionne différemment de la mécanique classique.

En conséquence, il est supposé que la connaissance précise des mesures au niveau subatomique est limitée par la fine ligne qui sépare la mécanique classique et la mécanique quantique.

Limitations

Malgré l'explication de l'indétermination des particules subatomiques et la définition des différences entre la mécanique classique et quantique, le modèle atomique de Heisenberg n'établit pas une équation unique pour expliquer le caractère aléatoire de ce type de phénomènes.

De plus, le fait que la relation soit établie par une inégalité implique que l'éventail des possibilités pour le produit de deux variables canoniques conjuguées est indéterminé. Par conséquent, l’incertitude inhérente aux processus subatomiques est importante.