L'existence des atomesAux environs de 1900,on pensait avoir bien assimilé la physique des objets macroscopiques (bâtons et pierres, briques, os... etc...) (sauf pour quelques détails comme lord Kelvin l'avait justement remarqué ). Les mouvements obéissaient aux lois de Newton, qui avaient expliqué le mouvement des objets célestes avec une exactitude remarquable. L'électricité obéissait aux lois d'Ampere, Faraday et Maxwell, et la lumière était assimilée à une onde électromagnétique, analogie autorisée par la découverte par Heinrich Hertz des ondes radio, crées par un courant électrique rapidement alternatif. La technologie suivait de près les nouveautés de la physique et progressait librement, nous donnant les moteurs électriques, les turbines à vapeur, les télégraphes et téléphones, les machines à glace, les dirigeables et d'autres encore. Fondamentalement tout était constitué d'atomes. L'ensemble des objets matériels semblait composé de particules trop petites pour être vues, mais dont l'existence pouvait être déduite d'une foule de phénomènes subtils. Mais les phénomènes liés aux atomes eux-mêmes n'étaient pas du tout compris, par exemple la physique de la liaison chimique, par laquelle les atomes se combinent pour former des molécules. Quand les physiciens sont confrontés avec l'inconnu et doivent examiner diverses explications, ils recherchent ce qui est certain et peut être observé avec une grande précision, comme les mouvements des planètes, qui ont fourni un test précis des théories de Newton. Pour les atomes, la clef semblait être dans les longueurs d'onde des raies spectrales , émises par les atomes d'un gaz rayonnant, avec des couleurs nettement définies, véritable signature d'un atome spécifique. Ainsi le sodium émet des "lignes" jumelles dans le jaune-orange, finement séparées (on les nomme "lignes"ou " raies " parce que c'est ainsi qu'elles apparaissent quand on les observe dans un spectrographe, qui scinde la lumière provenant d'une fente étroite en différentes longueurs d'onde.) L'hydrogène émet principalement dans le rouge, mais la lumière du soleil émet également une ligne jaune (en fait près des jumelles du sodium.) qui a finalement été attribuée à un nouvel élément l'"hélium" (Helios = soleil en grec). L'hélium a été isolé sur terre en 1895. Les spectromètres ont étés améliorés par les "interféromètres" optiques, sophistiqués, fonctionnant d'après la nature de l'onde lumineuse (évoquée dans une section facultative à la fin du plan de la leçon de la section S-4). Ceux-ci ont mesuré les longueurs d'onde des émissions avec une précision étonnante - si exactement que cela a amené à redéfinir la longueur du mètre en terme de la longueur d'onde d'un dispositif spectral déterminé. Précédemment cette longueur avait été définie par la distance entre deux traits gravés sur une barre en métal conservée dans une chambre forte à Paris, mais la nouvelle définition peut être reproduite avec une exactitude plus grande, sur place pour n'importe quel laboratoire bien équipé. Des milliers de longueurs d'onde ont été mesurés, en provenance de très divers éléments atomiques, et cela nous a apporté quelque chose au sujet des atomes qui les avaient émis. Cependant, "la physique classique" du XIXs n'avait aucune possibilité d'interpréter ces données. Lorsque l'existence des atomes a été identifiée pour la première fois, certains les ont considérés comme de petites sphères dures rebondissant entre elles dans un gaz ou vibrant à l'unisson une fois réunies en rangées régulières dans un cristal. En particulier cet aspect des atomes considérés comme des sphères se heurtant dans un gaz, expliquait parfaitement la théorie de la chaleur et les lois classiques des gaz - dont même la distribution inégale des vitesses moléculaires (ou atomiques) dans un gaz chaud (calculé par Maxwell, la "distribution de Maxwell") et les données sophistiquées de la deuxième loi de la thermodynamique.
Electricité et atomesPourtant les atomes ont d'autres propriétés : ils possèdent également des composants électriquement chargés. Les composés chimiques dissous dans l'eau peuvent souvent être séparés par le courant électrique qui les traverse, par exemple l'eau peut elle-même être décomposée en hydrogène et oxygène. Ce processus est connu sous le nom d' électrolyse, et ses lois ont été déterminées par Michael Faraday. Le scientifique suédois Svante Arrhenius a correctement pressenti qu'au moins certaines molécules se divisaient en "ions chargés électriquement" pour divers produits chimiques dissous dans l'eau. En présence de forces électriques dans une solution aqueuse, les ions positifs sont attirés dans une direction les négatifs à l'opposé. Cela crée non seulement un courant électrique, mais également le regroupement de certains composants de la solution vers les deux contacts électriques, où le courant pénetre ou s'éloigne , ce qui permet de séparer chimiquement les différentes parties d'une substance (à moins qu'elle ne réagisse immédiatement chimiquement avec l'eau, comme cela se produit si on essaye de séparer une solution de sel de table.) Dans les années qui ont suivi, les physiciens sont parvenus à séparer grâce à des décharges électriques dans des gaz raréfiés, les minuscules électrons, négativement chargés, et les ions positifs, fragments atomiques ou moléculaires qui restent lorsque des électrons ont été arrachés. Tout ceux-ci suggérait un niveau plus approfondi de la physique, contrôlant le comportement à l'échelle atomique. Au départ on pensait que les lois de Newton et de Maxwell s'appliqueraient aussi : d'autres acteurs, peut-être des atomes, molécules, ions et électrons -- mais les mêmes règles. Il a fallu environ 30 ans (1900-1930) pour qu'une nouvelle génération de physiciens prenne conscience que les règles étaient également changées aux abords des dimensions atomiques, et que de nouvelles règles devaient être conçues en remplacement.
Répétons le encore : cette vue d'ensemble n'est pas mathématique. Elle aide à exposer un modèle global, mais toute utilisation demande l'application de mathématiques d'un assez haut niveau. Si vous n' aurez jamais appliquer la physique des quanta, vous trouverez probablement ici tout ce qu'il faut savoir. Si vous projetez d'étudier cette physique plus en détail, il vous en faudra plus, mais cette introduction vous indiquera certains rouages et vous fournira un bon point de départ pour la suite.
(adaptation d'un rappel historique in Lsun5wav.htm)
En 1885 Johann Balmer, professeur de maths au lycée de Bâle en Suisse s'approche d'une première compréhension des raies spectrales. Le plus simple de tous les spectres atomiques est celui de l' hydrogène--pas vraiment étonnant, puisque l'hydrogène est le plus petit des atomes, et en principe le plus simple. Au cours d'une décharge électrique (comme celle d'une lampe au néon) il émet simplement une série de lignes spectrales, dont quatre sont habituellement enregistrées sur la plaque photographique d'un spectrographe (elles ont été notées par les 4 premières lettres grecques, comme dans l'image ci-dessus, : α ß γ et δ par ordre de longueur d'onde descendante). Comme il a déjà été dit, la longueur d'onde ? (lambda) de chaque couleur émise avait été tout à fait exactement évaluée, et Balmer s'était aperçu que leurs valeurs correspondaient à une formule simple :
où n = 3.4.5.. et R est la constante de Rydberg, expérimentalement obtenue, du nom de Johann Rydberg, le physicien suédois qui l'a évalué. (la traduction de l'article original de Balmer est disponible sur le web.)
La "raie" de plus basse valeur (n=3) est la ligne rouge de l'"l'hydrogène alpha " (Hα en raccourci), responsable de la couleur dominante rouge de la chromosphère solaire. La part la plus importante de la lumière du soleil provient de la photosphère , la couche extérieure du soleil qui est visible; la lumière des couches plus profondes est réabsorbée près du point où elle a été émise. Une couche plus externe, la chromosphère, rougeoie très faiblement, d'une lueur qui ne fut d'abord observable que lors d'une éclipse totale de soleil, lorsque la lune occulte la lumière de la photosphère, beaucoup plus importante.
La chromosphère n'émet que relativement peu de lumière, dont l'apport est normalement annulé par la luminosité beaucoup plus importante de la photosphère. Mais elle devient visible pendant une éclipse totale de soleil. lorsque la lune recouvre complètement la photosphère, sa lueur rougeâtre devenant apparente autour du soleil, sous forme d'un anneau relativement étroit; avec, à sa périphérie, la corona dont la lumière est encore plus faible.
La chromosphère est importante parce qu'elle est le siège des dégagements soudains d'énergie liés au magnétisme des taches solaires - dites éruptions chromosphériques.( Solar Flares) . Les flares ne se montrent que rarement en lumière blanche comme des éclairs sur fond de photosphère (le premier à observer cet événement rare fut Richard Carrington en 1859). Mais elles sont facilement observées à travers un filtre sensible qui ne transmet sélectivement que le Ha et bloque toutes les autres radiations. Avec ces filtres, l'activité des flares et de beaucoup d'autres phénomènes solaires sont régulièrement surveillés et photographiés.
Après la publication de la série de Balmer, Lyman mis en évidence dans l'ultraviolet une série de raies :
où la raie "Lyman a" est particulièrement prédominante dans les lueurs de l'atmosphère externe de la terre photographiée par des astronautes de la lune. . De plus, Paschen trouva une série de raies dans l'infrarouge
ce qui suggère une filiation simple d'ensemble, avec :
Les régularités de ces séries indiquaient que des processus internes à l'atome, étaient responsables de l'émission "des lignes spectrales" aux couleurs nettement définies, Mais que signifiait ce message ?
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