Pendant longtemps, la structure de l'atome a été un sujet controversé parmi les physiciens, jusqu'à ce qu'apparaisse un modèle créé par le scientifique danois Niels Bohr. Il n'était pas le premier à avoir tenté de décrire le mouvement des particules subatomiques, mais ce sont ses développements qui ont permis de créer une théorie cohérente avec la capacité de prédire l'emplacement d'une particule élémentaire à un moment ou à un autre.
Chemin de vie
Niels Bohr est né le 7 octobre 1885 à Copenhague et y est décédé le 18 novembre 1962. Il est considéré comme l'un des plus grands physiciens, et ce n'est pas étonnant: c'est lui qui a réussi à construire un modèle cohérent d'atomes de type hydrogène. Selon la légende, il a vu dans un rêve comment quelque chose comme des planètes tournait autour d'un certain centre lumineux raréfié. Ce système s'est ensuite considérablement réduit à une taille microscopique.
Depuis lors, Bohr a cherché un moyen de traduire le rêve en formules et en tableaux. En étudiant attentivement la littérature moderne sur la physique, en expérimentant en laboratoire et en réfléchissant, il a pu réaliser sonobjectifs. Même une timidité congénitale ne l'a pas empêché de publier les résultats: il était gêné de parler devant un large public, il a commencé à s'embrouiller, et le public n'a rien compris aux explications du scientifique.
Précurseurs
Avant Bohr, les scientifiques ont essayé de créer un modèle de l'atome basé sur les postulats de la physique classique. La tentative la plus réussie appartenait à Ernest Rutherford. À la suite de nombreuses expériences, il est parvenu à la conclusion de l'existence d'un noyau atomique massif, autour duquel les électrons se déplacent en orbite. Puisque graphiquement un tel modèle était similaire à la structure du système solaire, le nom du planétaire a été renforcé derrière lui.
Mais il avait un inconvénient important: l'atome correspondant aux équations de Rutherford s'est avéré instable. Tôt ou tard, les électrons, se déplaçant avec accélération sur des orbites autour du noyau, devaient tomber sur le noyau et leur énergie serait dépensée en rayonnement électromagnétique. Pour Bohr, le modèle de Rutherford est devenu le point de départ de la construction de sa propre théorie.
Premier postulat de Bohr
La principale innovation de Bohr a été le rejet de l'utilisation de la physique newtonienne classique dans la construction de la théorie de l'atome. Après avoir étudié les données obtenues en laboratoire, il est arrivé à la conclusion qu'une loi aussi importante de l'électrodynamique que le mouvement uniformément accéléré sans rayonnement ondulatoire ne fonctionne pas dans le monde des particules élémentaires.
Le résultat de ses réflexions était une loi qui ressemble à ceci: un système atomique n'est stable que s'il se trouve dans l'un des systèmes stationnaires possiblesétats (quantiques), dont chacun correspond à une certaine énergie. Le sens de cette loi, autrement appelée postulat des états quantiques, est de reconnaître l'absence de rayonnement électromagnétique lorsqu'un atome se trouve dans un tel état. Aussi, une conséquence du premier postulat est la reconnaissance de la présence de niveaux d'énergie dans l'atome.
Règle de fréquence
Cependant, il était évident qu'un atome ne peut pas toujours être dans le même état quantique, puisque la stabilité nie toute interaction, ce qui signifie qu'il n'y aurait ni Univers ni mouvement en lui. La contradiction apparente a été résolue par le deuxième postulat du modèle de structure atomique de Bohr, connu sous le nom de règle de fréquence. Un atome est capable de passer d'un état quantique à un autre avec un changement d'énergie correspondant, émettant ou absorbant un quantum dont l'énergie est égale à la différence entre les énergies des états stationnaires.
Le deuxième postulat contredit également l'électrodynamique classique. Selon la théorie de Maxwell, la nature du mouvement d'un électron ne peut affecter la fréquence de son rayonnement.
Spectre atomique
Le modèle quantique de Bohr a été rendu possible grâce à une étude minutieuse du spectre de l'atome. Pendant longtemps, les scientifiques ont été gênés qu'au lieu de la région de couleur continue attendue obtenue en étudiant les spectres des corps célestes, le spectrogramme de l'atome soit discontinu. Les lignes de couleurs vives ne coulaient pas les unes dans les autres, mais étaient séparées par d'impressionnantes zones sombres.
Théorie de la transition électronique d'un état quantique àun autre a expliqué cette bizarrerie. Lorsqu'un électron passait d'un niveau d'énergie à un autre, où moins d'énergie lui était demandée, il émettait un quantum, qui se reflétait dans le spectrogramme. La théorie de Bohr a immédiatement démontré la capacité de prédire d'autres changements dans les spectres d'atomes simples comme l'hydrogène.
Défauts
La théorie de Bohr n'a pas complètement rompu avec la physique classique. Elle a tout de même retenu l'idée du mouvement orbital des électrons dans le champ électromagnétique du noyau. L'idée de quantification lors de la transition d'un état stationnaire à un autre a complété avec succès le modèle planétaire, mais n'a toujours pas résolu toutes les contradictions.
Bien qu'à la lumière du modèle de Bohr, l'électron ne puisse pas entrer dans un mouvement en spirale et tomber dans le noyau, rayonnant continuellement de l'énergie, on ne sait toujours pas pourquoi il ne peut pas s'élever successivement à des niveaux d'énergie plus élevés. Dans ce cas, tous les électrons se retrouveraient tôt ou tard dans l'état d'énergie le plus bas, ce qui conduirait à la destruction de l'atome. Un autre problème était les anomalies dans les spectres atomiques que la théorie n'expliquait pas. En 1896, Peter Zeeman a mené une curieuse expérience. Il a placé un gaz atomique dans un champ magnétique et a pris un spectrogramme. Il s'est avéré que certaines raies spectrales se divisaient en plusieurs. Un tel effet n'a pas été expliqué dans la théorie de Bohr.
Construire un modèle de l'atome d'hydrogène selon Bohr
Malgré toutes les lacunes de sa théorie, Niels Bohr a pu construire un modèle réaliste de l'atome d'hydrogène. Ce faisant, il a utilisé la règle de fréquence et les lois de lamécanique. Les calculs de Bohr pour déterminer les rayons possibles des orbites des électrons et calculer l'énergie des états quantiques se sont avérés assez précis et ont été confirmés expérimentalement. Les fréquences d'émission et d'absorption des ondes électromagnétiques correspondaient à l'emplacement des trous noirs sur les spectrogrammes.
Ainsi, en utilisant l'exemple de l'atome d'hydrogène, il a été prouvé que chaque atome est un système quantique avec des niveaux d'énergie discrets. De plus, le scientifique a pu trouver un moyen de combiner la physique classique et ses postulats en utilisant le principe de correspondance. Il stipule que la mécanique quantique comprend les lois de la physique newtonienne. Sous certaines conditions (par exemple, si le nombre quantique était suffisamment grand), la mécanique quantique et classique convergent. Cela a été prouvé par le fait qu'avec une augmentation du nombre quantique, la longueur des lacunes sombres dans le spectre diminuait jusqu'à la disparition complète, comme prévu à la lumière des concepts newtoniens.
Signification
L'introduction du principe de correspondance est devenue une étape intermédiaire importante vers la reconnaissance de l'existence d'une mécanique quantique spéciale. Le modèle de Bohr de l'atome est devenu pour beaucoup un point de départ dans la construction de théories plus précises du mouvement des particules subatomiques. Niels Bohr n'a pas été en mesure de trouver une interprétation physique exacte de la règle de quantification, mais il n'a pas pu le faire non plus, car les propriétés ondulatoires des particules élémentaires n'ont été découvertes qu'au fil du temps. Louis de Broglie, complétant la théorie de Bohr par de nouvelles découvertes, prouva que chaque orbite, selonlequel l'électron se déplace est une onde se propageant à partir du noyau. De ce point de vue, l'état stationnaire de l'atome a commencé à être considéré tel qu'il se forme dans le cas où l'onde, ayant fait une révolution complète autour du noyau, se répète.
