Utilisée en physique, la règle de Hund concerne l’arrangement des électrons dans les orbitales d’un atome. La règle de Hund indique que pour tout groupe d’orbitales, ou sous-couches, dans un niveau d’énergie, chaque orbitale doit contenir un électron, chacune tournant dans la même direction, avant que les électrons puissent être appariés dans les orbitales. La règle est importante pour comprendre certains comportements des atomes, comme le magnétisme dans les métaux.
Au centre d’un atome se trouve le noyau. Le noyau contient des particules appelées protons — qui sont chargées positivement — et des particules appelées neutrons, qui sont neutres. Autour du noyau se déplacent de minuscules particules appelées électrons, qui sont chargées négativement. Les électrons se déplacent, ou tournent, dans des zones données autour du noyau, appelées orbitales, et ils peuvent avoir un autre électron partageant son orbite. Lorsque cela se produit, les électrons tournent dans des directions opposées.
En plus des spins, les orbitales électroniques sont également définies par des sous-couches et des niveaux d’énergie. Les sous-couches sont étiquetées avec les lettres s, p, d et f, et désignent certaines orbitales ou groupes d’orbitales qui se produisent dans les différents niveaux d’énergie des atomes. Il existe quatre niveaux d’énergie de l’état fondamental, qui contiennent plus de sous-couches à mesure qu’elles augmentent. Par exemple, le premier niveau d’énergie ne contient qu’un sous-shell s, le deuxième niveau d’énergie a un sous-shell s et un sous-shell ap, et ainsi de suite. En termes simples, plus un atome possède d’électrons, plus il y a de sous-couches et de niveaux d’énergie.
Par exemple, l’hydrogène ne contient qu’un électron, il n’a donc qu’une seule sous-couche, le s, dans le premier niveau d’énergie. Inversement, le fer contient 26 électrons, il a donc quatre sous-couches s, une pour chaque niveau d’énergie ; deux sous-couches p, qui contiennent chacune trois orbitales, situées aux niveaux d’énergie deux et trois ; et une sous-couche d, contenant cinq orbitales, au niveau d’énergie trois.
En se concentrant sur la coque externe, la règle de Hund détermine comment les électrons sont disposés dans les orbitales, ou leur configuration. S’appuyant sur les concepts selon lesquels seuls deux électrons peuvent occuper une orbitale donnée et des électrons dans le même spin orbital dans des directions opposées, la règle de Hund stipule que les électrons doivent toujours remplir toutes les orbitales vides dans une sous-couche avant de s’apparier avec des électrons. Il dit également que lors du remplissage des orbitales vides, chaque électron non apparié doit tourner dans la même direction. Puisqu’une sous-couche doit être complètement remplie avant que les électrons ne remplissent d’autres couches, cette règle n’entre réellement en vigueur que pour la dernière sous-couche remplie.
Par exemple, les 26 électrons du fer remplissent complètement chacune de ses sous-couches jusqu’à la dernière, la sous-couche 3D. Ici, il reste six électrons pour remplir cinq orbitales. Les cinq premiers électrons, tous tournant dans la même direction, occuperont chacun une orbitale, et le sixième s’appariera avec l’électron de la première orbitale, tournant dans la direction opposée. C’est ce phénomène, avec un certain nombre d’électrons non appariés tournant tous dans la même direction, qui permet aux objets de devenir magnétiques. Inversement, lorsque tous les électrons de la couche externe sont appariés, comme avec les gaz rares, les atomes sont complètement stables.