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L'image fréquemment donnée d'un atome est celle
d'un petit point (l'électron) tournant autour
d'une grosse boule (le noyau). Néanmoins, cette
vision n'est pas réellement conforme à la
mécanique quantique.
Premiers modèles, premiers problèmes
L'électron a été découvert par JJ Thompson en
1897. On a alors imaginé que l'atome ressemblait
à un cake aux raisins : les électrons sont des
petits raisins chargés négativement dans un cake
positif. Ce modèle est appelé modèle du
pudding (Thompson était anglais).
En 1911, l'assistant de Thompson, Ernest
Rutherford, découvrit en bombardant des atomes
qu'ils étaient principalement constitués de
vide. Il propose alors un nouveau modèle :
l'atome est constitué d'un noyau positif autour
duquel tournent les électrons, attirés
électrostatiquement . En raison de l'analogie
avec le système Terre-Lune ou Terre-Soleil (mais
la force étant électrostatique et non
gravitationnelle), ce modèle a été appelé
modèle planétaire. Ce modèle peut sembler
satisfaisant, mais il soulève certains
problèmes, qui rendirent perplexes plus d'un
physicien de l'époque :
- l'électromagnétisme (développé à la fin
du XIXe siècle) nous apprend qu'une charge
subissant une accélération, perd de
l'énergie par rayonnement (c'est d'ailleurs
le principe utilisé par les synchrotrons).
Les physiciens en conclurent donc que, dans
le modèle planétaire, l'électron devrait
décrire une spirale pour finalement
s'écraser sur le noyau. Intrigués, ils
calculèrent alors le temps de vie de
l'électron autour du noyau : une fraction de
seconde. Si on en croit le modèle
planétaire, la matière n'est pas stable du
tout...
- les spectres d'absorption et d'émission
de la lumière nous apprennent que la matière
n'interagit avec la lumière que pour
certaines longueurs d'onde spécifiques de
chaque élément (raies spectroscopiques). Cet
effet n'est pas expliqué par le modèle
planétaire.
Modèle de Bohr
En 1913, Niels Bohr, physicien danois, propose
une version améliorée du modèle planétaire : il
postule que seules certaines orbites sont
possibles, en disant que le moment cinétique
doit être un multiple de la constante de Planck
réduite. N'autoriser qu'une quantité dénombrable
d'orbites d'exister est ce qu'on appelle une
quantification. A partir de ce postulat, on
en déduit que si l'électron est sur une orbite
autorisée alors il ne peut pas rayonner de
manière continue, sinon il se retrouverait sur
une orbite intermédiaire entre deux orbites
autorisées, ce qui est interdit. Par cet
artifice, Bohr explique la stabilité des atomes.
De plus, la quantification proposée permet de
retrouver les raies des spectres pour
l'hydrogène. Mais ce modèle n'est pas pleinement
satisfaisant, et il existe encore certains
points non élucidés (effet Zeeman ...)
La physique quantique
Durant les années 1920-1930, une nouvelle
branche de la physique se développe : la
physique quantique. Celle-ci permet de résoudre
les problèmes précédents, mais demande
d'abandonner des concepts que l'on pensait
évidents. Avant tout, les particules ne sont
plus considérées comme de simples corpuscules
comme en mécanique classique. Une particule
n'est plus située en un endroit précis, mais a
simplement une probabilité de présence (par
exemple, cette particule a une probabilité de 1/2
de se trouver dans telle zone). Pour pouvoir
parler de la position de cette particule, il
faut faire une mesure. De même pour la vitesse.
Parler de vitesse ou de position en-dehors d'une
mesure n'a pas vraiment de sens. On peut
simplement parler de la probabilité de trouver
une certaine valeur si on fait la mesure. Là où
les choses se compliquent, c'est que la mesure
perturbe le système (il faut nécessairement
interagir avec le système pour faire une
mesure). Ainsi, si on mesure la position puis la
vitesse, on ne trouve pas la même chose que si
on
mesure la vitesse avant la position. Vitesse et
position sont donc liées. Heisenberg a démontré
ainsi que si on appelle 
l'écart-type de la position par rapport à sa
position moyenne, et
.gif)
l'écart-type de la fonction donnant la densité
de probabilité pour la vitesse, alors on a l'inégalite
dite
inégalité de Heisenberg :
.gif)
(m est la masse de la particule et h la
constante de Planck). Cette inégalité nous dit
qu'on ne peut avoir à la fois une position et
une vitesse bien déterminées pour une particule
quantique. La notion de trajectoire n'a donc
plus de sens.
L'évolution d'un système est donnée par l'équation
de Schrödinger. Sa résolution dans le cadre
de l'atome d'hydrogène nous permet de retrouver
des états quantifiés (et d'expliquer le
spectre). Mais l'électron n'est plus décrit
comme une petite boule se déplaçant autour de
son noyau comme dans le modèle planétaire, mais
comme un nuage électronique, avec une
densité de probabilité de présence en chaque
point de l'espace, et une densité de probabilité
de vitesse. Ce nuage électronique remplit plus
ou moins l'espace et possède une vitesse, sans
pour autant bouger : les notions de la physique
quantique peuvent parfois bouleverser notre
compréhension intuitive. |
