On a déjà évoqué ici l’origine de l’hypothèse atomique. Mainte fois débattue, l’existence de l’atome s’est imposée au début du XXe siècle notamment grâce à Jean Perrin.

Galilée fut un des premiers à chercher à décrire le mouvement des objets à l’aide de nombres plutôt qu’en utilisant des principes désincarnés comme avait pu le faire Aristote. Newton, quelques temps plus tard, va plus loin en cherchant à déterminer la cause du mouvement de chaque objet.

Galilée
Galilée

La description que fait Galilée du mouvement sans se préoccuper des causes s’appelle la cinématique. Newton, lui, qui cherche à détailler les causes, notamment en utilisant le concept de force, on nomme cette approche la dynamique.

La vision géométrique de Galilée est donc complétée

  1. par le calcul différentiel qui permet à Newton de déterminer la vitesse d’un objet mobile à partir de sa position
  2. par le calcul intégral qui lui permet de réaliser l’opération inverse consistant à calculer la position d’un objet connaissant sa vitesse en chaque instant.
Newton selon Gottlieb
Newton selon Gottlieb

Ce remplacement de la géométrie par le calcul se renforcera après Newton avec l’avènement de l’optique, de l’électromagnétisme et de la théorie cinétique des gaz et l’utilisation pleine de la puissance du calcul pour décrire les phénomènes physiques de manière spatiale et temporelle. C’est seulement au début du XXe siècle avec Bohr que la possibilité d’utiliser systématiquement cette description sera remise en question. Voyons le cheminement qui a conduit Bohr à s’écarter de la description classique de la nature.

théorie cinétique des gaz Bloch
Ouvrage sur la théorie cinétique des gaz par Eugène Bloch

En 1911, Rutherford et deux de ses élèves Geiger et Marsden réalisent une expérience fondamentale pour la description moderne de la matière. Ils utilisent une source radioactive de radon pour envoyer des rayons alpha sur une mince feuille d’or. Des écrans fluorescents sont disposés un peu partout autour de la feuille pour recueillir les rayons alpha après une éventuelle déviation lors de la traversée de la feuille.

La plupart des rayons alpha sont peu ou pas du tout déviés mais dans un cas sur 8000 environ, le rayon est renvoyé avec un angle très grand voire quelques fois en arrière.

Expérience de Rutheford

L’interprétation de Rutherford est la suivante : les rayons alpha sont des particules chargées qui subissent le champ électrique des particules de la feuille d’or ce qui conduit à une modification de leur trajectoire. Seul un champ très fort peut dévier la particule alpha suffisamment pour la renvoyer en arrière.

Les électrons sont trop légers pour influer en quoi que ce soit : le champ ne peut donc être créé que par une particule de petite dimension contenant toute la charge positive de l’atome dans un volume très restreint. Tout ceci amène Rutherford à modéliser l’atome d’or – et, par extension, tous les autres types d’atome – comme un noyau extrêmement petit contenant toute la charge positive et des électrons contenant la charge négative orbitant autour de ce noyau.

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Ce modèle appelé saturnien, dans lequel l’atome est essentiellement composé de vide, permet de comprendre pourquoi la plupart des particules alpha passent à travers la feuille sans déviation. Il permet également de voir l’émission de particules alpha comme le résultat d’une éjection d’une partie du noyau par des éléments radioactifs.

Un problème de taille se pose néanmoins : si les électrons tournent autour du noyau, ils subissent une accélération. Cette accélération dite radiale est la même que celle subit par un véhicule lors d’un virage. Les conséquences d’une telle accélération pour un véhicule est l’apparition de forces d’inertie ayant tendance à projeter les passagers dans le sens opposés au virage.

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Motards se penchant pour contrebalancer la force d’inertie centrifuge

Toutefois, les conséquences d’une telle accélération pour les électrons seraient différentes : s’ils étaient accélérés, ils perdraient de l’énergie par rayonnement ce qui les ferait tomber sur le noyau. Or les atomes sont stables : les électrons ne s’effondrent jamais sur le noyau. Il y a donc un problème fondamental avec le modèle saturnien. Problème que de nombreux physiciens tenteront désespérément de résoudre.

Alors que la plupart d’entre eux cherchent, de force, à rendre ce modèle cohérent avec la mécanique classique, Bohr choisit un autre chemin. Il accepte l’idée que l’explication classique de l’expérience de Rutherford est impossible et s’attache simplement à développer une cohérence nouvelle entre les propriétés de l’atome. Cela le conduira à poser les premières bases de ce qui deviendra la mécanique quantique.

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford

Il postule que l’énergie des électrons présents dans un atome ne peut prendre que des valeurs bien déterminées un peu comme les habitants d’un immeuble qui ne peuvent loger qu’à des étages bien précis.

Sa seconde hypothèse, tout aussi importante que la première, est la suivante : les électrons peuvent passer d’un niveau d’énergie à un autre et n’émettent un rayonnement que lors de ce changement d’état. Cette hypothèse permet de se débarrasser de la perte d’énergie progressive par rayonnement des électrons accélérés.

La troisième hypothèse permet d’obtenir des résultats quantitatifs extrêmement satisfaisants. Bohr postule que le rapport entre l’énergie cinétique de l’électron et sa fréquence de « rotation » est un multiple entier de \dfrac{h}{2} avec h la constante utilisée par Planck lors de la description du rayonnement des corps noirs. Cela lui permet de retrouver précisément les fréquences observées lors du rayonnement de l’hydrogène alors que personne ne savait comment interpréter les valeurs observées.

Niels Bohr
Niels Bohr

D’autre part, son modèle se conforme avec la description classique d’électrons très éloignés du noyau. Ce respect de la condition à la limite classique, appelé principe de correspondance, assure le plein succès de son modèle malgré l’audace de ses hypothèses.

La révolution quantique est en marche : les phénomènes électriques ne sont plus décrits par des ondes obéissant aux équations de Maxwell mais par des particules effectuant des sauts brutaux d’un niveau d’énergie à un autre.

Cet article est le résumé d’une partie de l’ouvrage Niels Bohr et la physique quantique de François Lurçat. Le plan de cet ouvrage est le suivant :

  1. Qu’est-ce que la physique ? Archimède et le levier.
  2. Galilée et la géométrisation.
  3. Newton et la dynamique. L’énergie.
  4. La lumière et le champ électromagnétique.
  5. Les électrons et l’apogée de la physique classique.
  6. Bohr entre en scène.
  7. L’atome de Bohr.
  8. La dualité onde-particule.
  9. Mécanique quantique et mécanique ondulatoire.
  10. L’interprétation de la mécanique quantique.
  11. La discussion Bohr-Einstein.
  12. Physique et philosophie : l’ontologie quantique.
  13. Le champ électromagnétique, le noyau et la bombe.
  14. La mutation de la physique.
  15. L’héritage d’Einstein.
  16. L’héritage de Bohr.

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