Quel principe physique interdit à deux électrons d'un même atome d'avoir les quatre mêmes nombres quantiques ?

Le principe qui interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir les quatre mêmes nombres quantiques est le principe d’exclusion de Pauli. Formulé par le physicien Wolfgang Pauli en 1925, il constitue une règle fondamentale de la mécanique quantique et permet notamment de comprendre pourquoi les électrons se répartissent selon une organisation précise autour du noyau.

Les quatre nombres quantiques

L’état d’un électron dans un atome est décrit par quatre nombres quantiques. Le nombre principal n indique le niveau d’énergie, le nombre azimutal l caractérise la sous-couche, le nombre magnétique mₗ précise l’orientation de l’orbitale et le nombre de spin mₛ décrit l’une des deux orientations possibles du spin de l’électron. Le principe d’exclusion affirme que deux électrons appartenant au même atome ne peuvent pas posséder simultanément les mêmes valeurs pour ces quatre nombres.

Le remplissage des orbitales

Cette règle explique qu’une orbitale atomique ne puisse accueillir que deux électrons au maximum. Ces deux électrons peuvent avoir les mêmes nombres n, l et mₗ, mais leurs nombres de spin mₛ doivent alors être opposés. Il est donc plus exact de dire qu’ils occupent la même orbitale avec des spins différents, plutôt que d’affirmer que le principe les oblige toujours à se répartir dans des orbitales distinctes. La succession des remplissages électroniques détermine ainsi la structure des atomes et contribue à leurs propriétés chimiques.

Une règle propre aux fermions

Le principe d’exclusion découle du comportement quantique des fermions, des particules qui possèdent un spin demi-entier. Les électrons, mais aussi les protons et les neutrons, sont des fermions identiques dans leur catégorie et obéissent à cette exclusion. Les bosons, comme les photons, ne sont pas soumis à cette même interdiction : plusieurs bosons peuvent occuper un état quantique identique. Cette différence intervient notamment dans des phénomènes tels que la condensation de Bose-Einstein.

Une portée qui dépasse l’atome

Dans les atomes, le principe de Pauli contribue à la diversité des configurations électroniques et donc à l’organisation du tableau périodique. Il intervient aussi dans la matière extrêmement dense. Dans une naine blanche, l’exclusion entre électrons produit une pression de dégénérescence qui s’oppose à la gravité. Dans les étoiles à neutrons, la dégénérescence des neutrons participe également au soutien de l’étoile, avec un rôle important des interactions entre particules. Le principe ne doit toutefois pas être présenté comme l’unique cause de la stabilité de toute la matière : il s’agit d’une règle quantique essentielle parmi les mécanismes qui déterminent sa structure.