Introduction

Jusqu’au XXeme siècle, la matière n’intéressait pas les physiciens. Cette science était
réservée aux chimistes parmi lesquels nous retrouvons les célèbres Avogadro, Gay-Lussac,
Boyle et tant d’autres. L’Encyclopedia Britannica publiée en 1771 considérait que les
atomes étaient les plus petits corps naturels indivisibles, des minima minimorum naturae.
Or depuis Démocrite on avait déjà remarqué que certains atomes ou plutôt certaines
molécules étaient structurées et présentaient des formes variées et qu’aucunes d’elles ne
pouvaient se transformer en une autre. L’or et le plomb pouvaient bien s’amalgamer mais il
était toujours possible de les séparer par l’action de la chaleur. Cette définition était donc
incomplète et suscita l’intérêt des chercheurs.

Vers 1860, August Kekulé von Stradonitz et Butlerow démontrent grâce à la lumière
polarisée que les molécules des gaz obéissent à un comportement structurel particulier, ce
qui leur permettra d’échafauder les principes de l’architecture chimique. C’est également
Kekulé qui précisa le sens des termes d’atomes et de molécules dans leur définition
moderne.
Neuf ans plus tard Dimitri Mendéléev proposa une classification des éléments selon leur
masse atomique mais il ne put expliquer les relations entre classes d’éléments. Il faudra
attendre quelques générations pour découvrir les propriétés électriques des atomes et leur
architecture.

En 1874 Jacobus van ‘t Hoff et indépendamment de lui Joseph Le Bel découvraient que la
stéréochimie expliquait les isomères des molécules organiques. v proposa une classification
des éléments selon leur masse atomique mais il ne put expliquer les relations entre classes
d’éléments. Il faudra attendre quelques générations pour découvrir les propriétés électriques
des atomes et leur architecture. En 1874 Jacobus van ‘t Hoff et indépendamment de lui
Joseph Le Bel découvraient que la stéréochimie expliquait les isomères des molécules
organiques.
En 1887, Joseph J.Thomson démontra que le courant électrique qui pouvait se propager
dans un gaz était associé à des particules chargées négativement. En soumettant celles-ci à
un champ magnétique et en observant les déviations des particules, il pouvait connaître leur
charge et leur masse avec précision.

La mécanique quantique

Les acteurs

De gauche à droite, Roentgen, 1895 – Becquerel, 1896 – Rutherford, 1903 –
Thomson, 1907 – Planck

La fin du XIXeme siècle fut marquée la découverte des rayons X (Roentgen, 1895) ainsi
que de la radioactivité naturelle (Becquerel, 1896). En 1903, les physiciens anglais Ernest
Rutherford et Frederick Soddy découvrirent que la radioactivité naturelle était une
transmutation d’un atome dans un autre. Ainsi, les atomes radioactifs pouvaient émettre des
particules positives (rayonnement Alpha, un noyau d’hélium), négatives (rayonnement Beta, des
électrons) ou des ondes de très courtes longueurs d’ondes (rayons Gamma). Mais il restait à
localiser les composantes du rayonnement Alfa et en corollaire celles du noyau. Quatre ans
plus tard, J.J.Thomson proposa un modèle atomique dans lequel les charges négatives – les
électrons – étaient distribués dans une matrice chargée positivement. Pour respecter la
neutralité de la matière, les électrons devaient avoir exactement les mêmes valeurs que les
charges positives.

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Max Planck

Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, duché de Schleswig – mort le 4 octobre 1947 à Göttingen, Allemagne) est un physicien allemand. Il est lauréat du prix Nobel de physique de 1918 pour ses travaux en théorie des quanta. Il a reçu la médaille Lorentz en 1927 et le prix Goethe en 1945. C’est l’un des fondateurs de la mécanique quantique.
Travaillant à formuler avec exactitude le second principe de la thermodynamique, Planck s’intéresse dès 1894 au rayonnement électromagnétique du corps noir. Il adopte les méthodes statistiques de Boltzmann.
En 1899, il introduit la constante de Planck (h) et la constante de Boltzmann (k) en même temps que la notion des quanta.

et Einstein

Planck, Boltzmann ou Sommerfeld pensent bien sûr que les phénomènes naturels et en
particulier la loi d’entropie ne pouvait être réduite à des phénomènes purement mécaniques.
Ces recherches se termineront avec la célèbre thèse de doctorat d’Einstein en 1906.

On savait alors que le rayon de l’atome d’hydrogène oscillait entre 1 et 2×10-8 cm et l’on estima le nombred’Avogadro N à 6.02 x 1023 molécules par mole. Peu de temps après la publication de cette formule, Einstein établit une correspondance entre le mouvement brownien isolé et la diffusion d’un ensemble de particules. Einstein voulait ignorer les détails des phénomènes de collisions et traita la diffusion comme un processus de Markov. Sa théorie sera appliquée avec succès dans tous les domaines exploitant les propriétés d’élasticité, de viscosité et d’écoulement de la matière, en bref la rhéologie. Son travail touchera l’industrie du bâtiment (le ciment), la météorologie (les aérosols) ainsi que les secteurs touchant à la minéralogie et la chimie alimentaire.

Les Ondes

A côté de la détermination de la dimension des molécules, les physiciens étaient
également préoccupés de savoir comment le mouvement se transmettait dans la matière.
Les physiciens savaient depuis longtemps, en fait depuis qu’ils avaient observé un morceau
de bois flotté à la surface de l’eau, qu’une onde ne consistait pas en un déplacement de la
matière mais bien à un mouvement dans celle-ci.

On démontre ce principe quotidiennement par de nombreux mobiles, dont celui des billes suspendues en contact les unes avec les autres présenté ci-dessous.



Quinze pendules simples découplés de longueurs de plus en plus monotones dansent ensemble pour produire des ondes visuelles progressives, des ondes stationnaires, des battements et des mouvements aléatoires.  (Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations)

La dualité onde-corpuscule


De BROGLIE Louis Victor


DAVISSON JosephGERMER Lester Halbert

Que les atomes soient constitués de particules, soit, mais il restait encore des phénomènes inexplicables. Comme les ondes électromagnétiques ont des caractéristiques de particules, le physicien français De BROGLIE Louis Victor suggère, en 1924, que les particules pourraient aussi, dans certains cas, montrer des propriétés d’ondes. Quelques années plus tard, cette prédiction fut vérifiée expérimentalement par les physiciens américains DAVISSON JosephGERMER Lester Halbert et le Britannique THOMSON George Paget. Ils montrèrent qu’un faisceau d’électrons dispersés par un cristal génère une diffraction caractéristique d’une onde.

L’équation d’onde de Schrödinger

La notion ondulatoire de la particule permet au physicien australienSchrödinger Erwin de développer une équation dite équation d’onde pour décrire les propriétés ondulatoires de la particule et, plus particulièrement, le comportement de l’électron dans l’atome d’hydrogène :

Equation de Schrödinger
La Formulation moderne de l’équation de
Schrödinger

L’équation d’onde de Schrödinger présente quelques solutions discrètes seulement, ces solutions sont des expressions mathématiques dont les paramètres représentent les nombres quantiques. (Les nombres quantiques sont des entiers introduits dans la physique des particules pour exprimer la grandeur de certaines quantités caractéristiques des particules ou des systèmes). Les solutions de l’équation de Schrödinger indiquent aussi que les quatre nombres quantiques de deux électrons ne peuvent pas occuper le même état énergétique. Cette règle, déjà établie empiriquement par le physicien suisse PAULI Wolfgang, en 1925, est appelée principe d’exclusion.


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