PRINCIPE D'EXCLUSION DE PAULI, FERMIONS ET BOSONS

Cette loi fondamentale de la physique quantique fut énoncée pour la première fois par le physicien Wolfgang Pauli en 1925.
Toutes les particules d'un même type ont une nature identique mais peuvent avoir des propriétés différentes. Par exemple, les électrons d'un atome ont des énergies (liées à leurs orbites) différentes. Chaque particule possède ainsi un certain nombre de propriétés propres qui forment "l'état de la particule". Parmi ces propriétés citons:

• la masse au repos (identique pour chaque type de particules)
• la charge électrique Q qui vaut +1 pour le proton, -1 pour l'électron, 0 pour le neutron.
• le spin (de l'anglais "to spin" = faire tourner) qui correspond au moment cinétique interne, c'est-à-dire en gros à la rotation de la particule sur elle-même.

Dès lors une question se pose:
Deux particules identiques (deux électrons par exemple) peuvent-elles exister dans le même état physique, c'est-à-dire avoir la même énergie, la même localisation, etc?
La réponse à cette question clive le monde des particules en deux camps bien séparés:

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• d'un côté, les particules qui s'excluent mutuellement: elles ne peuvent pas être au même endroit en ayant exactement les mêmes propriétés. Ce sont les FERMIONS (du nom du physicien italien Enrico Fermi). L'électron, les nucléons sont des fermions.

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• de l'autre côté, les particules qui sont capables de se rassembler à plusieurs dans le même état physique: Ce sont les BOSONS (du nom du physicien indien Satyendranath Bose). Le photon est un boson. Un ensemble de photon dans le même etat constitue ce qu'on appelle un rayon laser.

Deux fermions identiques ne peuvent donc pas coexister au même endroit et dans le même état: cette interdiction s'appelle le principe d'exclusion de Pauli. Ce principe ne s'applique pas aux bosons.

Dans un atome, deux électrons (fermions) peuvent donc avoir la même énergie à condition que leur spin soit différent. Ceci explique le remplissage progressif du tableau périodique de Mendéléiev, c'est-à-dire la structure électronique des atomes.
Chaque orbitale électronique comporte un nombre donné de cases quantiques disponibles; chacune ne pouvant être occupée que par un seul électron. Par exemple la première orbitale ou couche électronique (la plus rapprochée du noyau) ne peut contenir que deux électrons qui ont la même énergie mais des spins opposés (+1/2 et -1/2).
 
 

Le fait que ce principe d'exclusion s'applique aux fermions est fondamental pour nous:
en effet, cela fait des fermions les "vraies" particules de matière. Si on les force à se rapprocher très très près les uns des autres et en vertu de ce principe d'exclusion, les fermions vont se repousser violemment (pression quantique) puisqu'ils ne peuvent pas exister au même endroit. La matière est ainsi répartie dans l'espace.
Les fermions sont donc des particules très individualistes, à l'opposé des bosons qui sont très grégaires!
Quant aux bosons, nous verrons qu'ils s'agit de particules-médiateurs des forces fondamentales de la nature.
 

Le formalisme quantique: l'atome mathématique

Depuis le milieu des années 1930, l'atome est devenu une description mathématique très difficile à transcrire en images.
La physique quantique se fonde intégralement sur ce que l'on appelle un formalisme, c'est-à-dire un ensemble de principes, de concepts mathématiques, d'équations et de règles précisément établies.Ce formalisme conduit à représenter tous les systèmes physiques, quelle que soit leur nature (ondulatoire ou corpusculaire), par des entités mathématiques, les vecteurs d'état, qui ont la propriété de pouvoir s'ajouter entre eux: la somme de deux états possibles d'un système physique est encore un état possible du système. Ce principe fondamental, appelé PRINCIPE DE SUPERPOSITION, constitue la base du formalisme quantique.(voir le paradoxe du chat)

Un autre concept fondamental est celui de fonction d'onde définie ainsi (que les non matheux sautent ce paragraphe d'urgence!):
 

Que cela soit dit!

Telle est la nouvelle vision de l'atome valable depuis les années 30.