ATOMIQUE PHYSIQUE

La physique atomique est née des expériences effectuées à la fin du xix^e siècle qui ont montré que la matière était discontinue et formée d'atomes possédant une structure interne ; celle-ci étant à l'origine des raies observées dans les spectres d'émission et d'absorption du rayonnement par les différents éléments, l'objectif premier de la physique atomique a été de comprendre et d'interpréter ces spectres. Le développement de cette discipline est intimement lié à celui de la mécanique quantique. La grande précision des expériences de spectroscopie a conduit les physiciens théoriciens à énoncer des théories quantiques toujours plus élaborées ; en retour, les expérimentateurs ont effectué des mesures de plus en plus précises afin d'éprouver la validité de la théorie. Cette émulation réciproque a permis d'obtenir des mesures de grandeurs physiques fondamentales avec une précision sans cesse accrue.

La physique, dont l'objectif initial était d'établir les lois de la nature, a contribué à des avancées technologiques de premier plan en permettant la réalisation, par exemple, des lasers et des horloges atomiques. Elle a aussi ouvert un champ considérable de recherches fondamentales, allant de l'optique quantique à la physico-chimie des molécules.

Les origines de la physique atomique

Le concept d'atome date des philosophes grecs de l'Antiquité : à la suite des idées d'Empédocle (490-430 av. J.-C.), Leucippe (environ 450 av. J.-C.) et son disciple Démocrite (vers 460-vers 370 av. J.-C.) ont suggéré que l'Univers était constitué d'espace vide et de particules insécables, les atomes (du grec atomos, « insécable »). Cette hypothèse fut cependant rejetée par Aristote (385-322 av. J.-C.), qui défendit ardemment le concept de continuité de la matière.

La question fut reconsidérée beaucoup plus tard, après la découverte par Robert Boyle, en 1662, de la loi des gaz, et l'interprétation de celle-ci à l'aide de la théorie cinétique par Daniel Bernoulli en 1738. Cette théorie, qui connut son apogée au xix^e siècle grâce aux travaux de Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell et Ludwig Boltzmann, a permis d'expliquer les principales propriétés physiques des gaz. Parallèlement au développement de la théorie cinétique, la loi des proportions définies, découverte en 1801 par Joseph Louis Proust, et la loi des proportions multiples de John Dalton (1807) pouvaient elles aussi être interprétées dans l'hypothèse de la structure atomique de la matière. La loi de Gay-Lussac, en 1808, permit à Amedeo Avogadro, en 1811, de faire la distinction entre les molécules et les atomes qui les constituent. Avogadro montra que la loi de Gay-Lussac était vérifiée si des volumes égaux de différents gaz, à mêmes pression et température, contenaient un nombre égal de molécules. Cependant, le concept d'atome est resté controversé par les chimistes jusqu'à la fin du xix^e siècle, sans doute parce qu'ils ignoraient la théorie cinétique des gaz. Celle-ci permettait pourtant d'expliquer le mouvement aléatoire de petites particules en suspension dans un liquide découvert par Robert Brown en 1827, et couramment dénommé « mouvement brownien ». Les chimistes n'admirent définitivement la réalité physique des atomes qu'après les travaux de Jean Perrin qui, en 1913, obtint une même valeur du nombre d'Avogadro en utilisant des méthodes expérimentales différentes.

C'est au xx^e siècle que la physique atomique a connu un essor extraordinaire grâce à la réalisation d'expériences d'une très grande précision et à la découverte et au développement de la théorie quantique par des physiciens de génie, parmi lesquels on peut citer Planck, Einstein, Rutherford, Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Born, Dirac, et plus récemment[...]