BOHR NIELS (1885-1962)

Théorie de la constitution des atomes

La découverte des électrons, particules environ 2 000 fois plus légères que l'atome d'hydrogène et portant toutes la même quantité de charge électrique négative, avait conduit les physiciens, dès le début de ce siècle, à concevoir l'atome comme un système complexe, formé d'une distribution de masse et de charge positive et d'un certain nombre d'électrons liés à cette masse par l'attraction électrostatique. En 1911, Rutherford avait conclu, d'expériences sur la diffusion des particules alpha, que la charge positive des atomes diffusants devait être concentrée dans une région beaucoup plus petite que le volume de l'atome ; les électrons devaient par conséquent décrire autour de ce noyau positif et massif des orbites képlériennes. Dès 1912, Bohr aperçut toute la portée de ce modèle nucléaire d'atome : il permettait de séparer nettement les propriétés radioactives de l'atome, dues au noyau, et ses propriétés chimiques, dues aux électrons périphériques, et aussi de distinguer les atomes des molécules polyatomiques (ces dernières comportant plusieurs noyaux). Ainsi, Bohr suggérait l'identification du numéro atomique, indiquant la place d'un élément dans le tableau périodique, avec le nombre des électrons périphériques, plus fondamental que la masse atomique des chimistes ; il en tirait même, sans les publier, des conséquences bientôt confirmées : l'existence d'isotopes d'un même élément, ayant le même nombre d'électrons, mais des masses différentes, ainsi que l'interprétation des lois de déplacement des éléments radioactifs dans le tableau périodique (l'émission alpha les faisant reculer de deux places, l'émission bêta les faisant avancer d'une place).

Mais l'idée décisive de Bohr, contenue dans ses postulats quantiques (1913), fut de combiner au modèle de Rutherford la notion du quantum d'action, originairement introduite par Planck (1900) dans la thermodynamique du rayonnement électromagnétique. Le premier postulat exprimait la stabilité des atomes vis-à-vis de l'émission de rayonnement, stabilité incompatible avec l'électromagnétisme classique : l'atome est susceptible d'une série d'états stationnaires, dans lesquels il ne rayonne pas, et dont l'énergie doit être déterminée par une condition supplémentaire faisant intervenir le quantum d'action h ; cette constante universelle permettait ainsi, avec la charge e et la masse m_e de l'électron, de fixer les dimensions absolues des édifices atomiques et l'ordre de grandeur des énergies de liaison des électrons aux noyaux. D'après le second postulat, l'atome peut effectuer une transition d'un état stationnaire d'énergie E_n à un autre état stationnaire d'énergie E_m en émettant ou absorbant un rayonnement monochromatique dont la fréquence ν_nm est donnée par : hν_nm=E_n —E_m (relation de Planck). L'application de ces postulats à l'atome d'hydrogène (composé d'un noyau et d'un seul électron) prédit pour le spectre de cet élément plusieurs séries de raies données par la formule : ν_nm=R(n—²—m—²), en accord avec l'expérience. Le calcul de la valeur absolue de la constante expérimentale de Rydberg R à partir des constantes fondamentales h, e et m_e marqua le premier triomphe de la théorie de Bohr.

L'application de la théorie aux atomes plus complexes soulevait deux problèmes d'une grande difficulté : la formulation générale des conditions quantiques fixant les énergies des états stationnaires, et le calcul des probabilités de transition entre états stationnaires, donnant les intensités des raies de spectres d'émission et d'absorption. La difficulté provenait dans les deux cas de la nécessité d'invoquer à[...]