ATOMIQUE PHYSIQUE
La quantification de l'énergie
La théorie quantique trouve son origine dans le besoin d'expliquer certaines expériences réalisées à la fin du xixe et au début du xxe siècle. La première d'entre elles concerne l'étude du rayonnement du corps noir : tout corps, porté à n'importe quelle température, rayonne de l'énergie électromagnétique, dont la variation avec la longueur d'onde (distribution spectrale) dépend de la température. Il fut établi expérimentalement que, pour un corps porté à une température donnée, l'énergie émise augmentait avec la longueur d'onde pour atteindre un maximum, puis décroissait quand la longueur d'onde continuait de s'élever.
La théorie développée par John Williams S. Rayleigh et James H. Jeans, fondée sur l'équipartition de l'énergie, ne permettait de rendre compte des courbes expérimentales qu'aux grandes longueurs d'onde ; cette loi devenait absurde dans le cas de très petites longueurs d'onde, car elle prévoyait une croissance infinie de l'énergie rayonnée (catastrophe ultraviolette) Pour remédier à cette incohérence, Max Planck imagina, ce qu'il croyait n'être qu'un artifice de calcul, que l'énergie ne pouvait exister que sous forme de quanta d'énergie hν, où h est la constante de Planck et ν la fréquence de l'onde électromagnétique. Il parvint ainsi à énoncer la loi qui porte son nom et qui permet de rendre compte du rayonnement du corps noir à n'importe quelle température ou longueur d'onde. Une autre expérience d'importance capitale avait été réalisée par Heinrich Hertz en 1897 : il avait découvert que le passage d'une étincelle entre des électrodes métalliques était facilité si un rayonnement ultraviolet était projeté sur la surface de ces électrodes.
W. Hallwachs, Stoletov, Philipp Lenard et d'autres montrèrent par la suite que certaines surfaces métalliques pouvaient émettre des particules chargées quand elles étaient irradiées par un rayonnement ultraviolet. Ce phénomène, connu sous le nom d'effet photoélectrique, ne fut expliqué de façon satisfaisante qu'en 1905 par Einstein, qui supposa que le rayonnement électromagnétique était réellement constitué de quanta, les photons, chacun d'eux possédant une énergie hν. Ces deux expériences, et beaucoup d'autres, ont montré l'insuffisance de la théorie classique et indiqué la nécessité d'introduire la quantification de l'énergie ainsi que celle du moment cinétique.
L'état des connaissances au début du XXe siècle
Un grand nombre d'observations effectuées au cours du xixe siècle ont montré que les atomes possèdent une structure interne. Les travaux d'Ernest Rutherford en 1911 sur la diffusion par la matière des particules α (aujourd'hui connues pour être des noyaux d'hélium) permirent de donner la structure générale d'un atome : un minuscule noyau contient l'essentiel de la masse et possède une charge positive égale au numéro atomique Z multipliée par la valeur absolue de la charge électrique (qe) de l'électron ; le noyau est entouré par un nombre d'électrons égal au numéro atomique, ce qui assure la neutralité électrique de l'ensemble. Deux conséquences essentielles découlent de cette description. En premier lieu, l'atome, considéré comme un tout, doit avoir quelque ressemblance avec un système planétaire : un noyau lourd et concentré dans un petit volume attirant les électrons de façon inversement proportionnelle au carré de leur distance. L'autre conséquence est que l'étude de l'atome peut être divisée en deux parties distinctes : l'étude de la structure du noyau (la physique nucléaire) et celle du mouvement des électrons (la physique atomique[...]
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Écrit par
- Philippe BOUYER : chargé de recherche au C.N.R.S.
- Georges LÉVI : maître de conférences
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