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14 • Atome d’hélium
14.6.2 Corrections dues aux effets relativistes
Le spectre de l’hélium de la figure 14.2 ne présente pas de structure fine puisque
l’interaction spin-orbite n’a pas été considérée. Or nous avons vu, au cours du chapitre 11, que, pour l’hydrogène, cette interaction lève la dégénérescence de certains
niveaux d’énergie. Il en est de même pour l’hélium, dont l’effet spin-orbite sépare
chaque niveau
3 L (L = 0) en trois sous-niveaux distincts. Par contre, l’état fondamental de l’hélium étant
1 S n’a pas de structure fine.
D’autres effets, tels le terme de Darwin ou la correction relativiste de l’énergie
cinétique, permettent d’affiner le calcul des niveaux. Bien que pour cela la méthode
des perturbations, limitée au premier ordre, soit d’une grande utilité, l’étude approfondie de ces effets s’avère complexe en raison de difficultés supplémentaires liées
à la présence des deux électrons. Mentionnons, par exemple, le couplage spin-spin,
qui est absent dans l’atome d’hydrogène. Enfin, il existe des effets radiatifs dont la
prise en compte engendre le déplacement de Lamb.
On se contentera de remarquer, dans cet exposé, que les effets relativistes ou radiatifs n’ont de l’importance que pour les héliumoïdes Z 3 ; selon la valeur de Z,
les corrections apportées à l’énergie peuvent être positives ou négatives.
De manière générale, lorsque l’ensemble des termes correctifs est convenablement
pris en compte, on constate un excellent accord entre les énergies « exactes » et les
mesures expérimentales. Ce constat montre de façon très convaincante la validité de
la théorie quantique, et, plus particulièrement, de l’équation de Schrödinger pour des
systèmes à plus d’un électron.
14.7 PROPRIÉTÉS ET APPLICATIONS
Inodore et incolore à température ambiante, l’hélium est un gaz non-toxique et noninflammable, deux propriétés qui l’ont fait connaître du grand public en tant que gaz
de gonflage des dirigeables. De tous les éléments connus, il reste le moins réactif
puisqu’il ne forme pratiquement aucune liaison chimique, ce qui fait de lui un gaz de
protection inerte lors du soudage autogène de métaux. Outre ses nombreuses autres
applications (bouteilles de plongée, laser hélium-néon, refroidissement de réacteurs
nucléaires, ou encore en chromatographie en phase gazeuse), l’hélium trouve d’importantes applications en cryogénie, en raison de sa température de condensation qui
est inférieure à celle de toute substance connue. Enfin, mentionnons que l’hélium
possède un isotope stable,
3 He, dont la très faible abondance permet des mesures de
datation.
14.7.1 Utilisations historiques des particules alpha
Les atomes d’hélium doublement ionisés, He
2+ , sont appelés des particules alpha.
Elles furent mises en évidence lors de la découverte, en 1896, de la radioactivité de
l’uranium par Henri Becquerel.
14 • Atome d’hélium
14.6.2 Corrections dues aux effets relativistes
Le spectre de l’hélium de la figure 14.2 ne présente pas de structure fine puisque
l’interaction spin-orbite n’a pas été considérée. Or nous avons vu, au cours du chapitre 11, que, pour l’hydrogène, cette interaction lève la dégénérescence de certains
niveaux d’énergie. Il en est de même pour l’hélium, dont l’effet spin-orbite sépare
chaque niveau
3 L (L = 0) en trois sous-niveaux distincts. Par contre, l’état fondamental de l’hélium étant
1 S n’a pas de structure fine.
D’autres effets, tels le terme de Darwin ou la correction relativiste de l’énergie
cinétique, permettent d’affiner le calcul des niveaux. Bien que pour cela la méthode
des perturbations, limitée au premier ordre, soit d’une grande utilité, l’étude approfondie de ces effets s’avère complexe en raison de difficultés supplémentaires liées
à la présence des deux électrons. Mentionnons, par exemple, le couplage spin-spin,
qui est absent dans l’atome d’hydrogène. Enfin, il existe des effets radiatifs dont la
prise en compte engendre le déplacement de Lamb.
On se contentera de remarquer, dans cet exposé, que les effets relativistes ou radiatifs n’ont de l’importance que pour les héliumoïdes Z 3 ; selon la valeur de Z,
les corrections apportées à l’énergie peuvent être positives ou négatives.
De manière générale, lorsque l’ensemble des termes correctifs est convenablement
pris en compte, on constate un excellent accord entre les énergies « exactes » et les
mesures expérimentales. Ce constat montre de façon très convaincante la validité de
la théorie quantique, et, plus particulièrement, de l’équation de Schrödinger pour des
systèmes à plus d’un électron.
14.7 PROPRIÉTÉS ET APPLICATIONS
Inodore et incolore à température ambiante, l’hélium est un gaz non-toxique et noninflammable, deux propriétés qui l’ont fait connaître du grand public en tant que gaz
de gonflage des dirigeables. De tous les éléments connus, il reste le moins réactif
puisqu’il ne forme pratiquement aucune liaison chimique, ce qui fait de lui un gaz de
protection inerte lors du soudage autogène de métaux. Outre ses nombreuses autres
applications (bouteilles de plongée, laser hélium-néon, refroidissement de réacteurs
nucléaires, ou encore en chromatographie en phase gazeuse), l’hélium trouve d’importantes applications en cryogénie, en raison de sa température de condensation qui
est inférieure à celle de toute substance connue. Enfin, mentionnons que l’hélium
possède un isotope stable,
3 He, dont la très faible abondance permet des mesures de
datation.
14.7.1 Utilisations historiques des particules alpha
Les atomes d’hélium doublement ionisés, He
2+ , sont appelés des particules alpha.
Elles furent mises en évidence lors de la découverte, en 1896, de la radioactivité de
l’uranium par Henri Becquerel.