Physique atomique

Physique atomique, étude scientifique de la structure de l'atome, de ses états énergétiques et de ses interactions avec d'autres particules et avec les champs électriques et magnétiques. La physique atomique s'est révélée être une application spectaculairement réussie de la mécanique quantique, qui est l'une des pierres angulaires de la physique moderne.

L'idée que la matière est constituée de blocs de construction fondamentaux remonte aux anciens Grecs, qui spéculaient que la terre, l'air, le feu et l'eau pourraient former les éléments de base à partir desquels le monde physique est construit. Ils ont également développé diverses écoles de pensée sur la nature ultime de la matière. La plus remarquable est peut-être l'école atomiste fondée par les anciens Grecs Leucippe de Milet et Démocrite de Thrace vers 440 avant JC. Pour des raisons purement philosophiques et sans bénéficier de preuves expérimentales, ils ont développé la notion que la matière est constituée d'atomes indivisibles et indestructibles. Les atomes sont en mouvement incessant à travers le vide environnant et entrent en collision les uns avec les autres comme des boules de billard, un peu comme la théorie cinétique moderne des gaz. Cependant, la nécessité d'un vide (ou d'un vide) entre les atomes a soulevé de nouvelles questions auxquelles il n'a pas été facile de répondre. Pour cette raison, le tableau atomiste a été rejeté par Aristote et l'école athénienne en faveur de la notion selon laquelle la matière est continue. L'idée a néanmoins persisté et elle est réapparue 400 ans plus tard dans les écrits du poète romain Lucrèce, dans son ouvrage De rerum natura (Sur la nature des choses).

Peu a été fait pour faire avancer l'idée que la matière pourrait être constituée de minuscules particules jusqu'au 17ème siècle. Le physicien anglais Isaac Newton, dans sa Principia Mathematica (1687), a proposé que la loi de Boyle, qui stipule que le produit de la pression et du volume d'un gaz soit constant à la même température, pourrait s'expliquer si l'on suppose que le gaz est composé de particules. En 1808, le chimiste anglais John Dalton a suggéré que chaque élément se compose d'atomes identiques, et en 1811, le physicien italien Amedeo Avogadro a émis l'hypothèse que les particules d'éléments peuvent se composer de deux ou plusieurs atomes collés ensemble. Avogadro a appelé de telles agglomérations des molécules et, sur la base de travaux expérimentaux, il a supposé que les molécules d'un gaz d'hydrogène ou d'oxygène sont formées de paires d'atomes.

Au cours du XIXe siècle, l'idée d'un nombre limité d'éléments, chacun composé d'un type d'atome particulier, pourrait se combiner de façon presque illimitée pour former des composés chimiques. Au milieu du siècle, la théorie cinétique des gaz a réussi à attribuer des phénomènes tels que la pression et la viscosité d'un gaz aux mouvements des particules atomiques et moléculaires. En 1895, le poids croissant des preuves chimiques et le succès de la théorie cinétique ne laissaient aucun doute sur la réalité des atomes et des molécules.

Cependant, la structure interne de l'atome n'est devenue claire qu'au début du XXe siècle grâce aux travaux du physicien britannique Ernest Rutherford et de ses étudiants. Jusqu'aux efforts de Rutherford, un modèle populaire de l'atome était le modèle dit de «plum-pudding», préconisé par le physicien anglais Joseph John Thomson, qui soutenait que chaque atome se compose d'un certain nombre d'électrons (prunes) incorporés dans un gel de charge positive (pudding); la charge négative totale des électrons équilibre exactement la charge positive totale, produisant un atome électriquement neutre. Rutherford a mené une série d'expériences de diffusion qui ont mis au défi le modèle de Thomson. Rutherford a observé que lorsqu'un faisceau de particules alpha (qui sont maintenant connues pour être des noyaux d'hélium) a heurté une mince feuille d'or, certaines des particules ont été déviées vers l'arrière. De telles déviations importantes n'étaient pas conformes au modèle de plum-pudding.

Ce travail a conduit au modèle atomique de Rutherford, dans lequel un noyau lourd de charge positive est entouré d'un nuage d'électrons légers. Le noyau est composé de protons chargés positivement et de neutrons électriquement neutres, dont chacun est environ 1 836 fois plus massif que l'électron. Parce que les atomes sont si petits, leurs propriétés doivent être déduites par des techniques expérimentales indirectes. La spectroscopie, qui est utilisée pour mesurer et interpréter le rayonnement électromagnétique émis ou absorbé par les atomes lorsqu'ils subissent des transitions d'un état énergétique à un autre, est la plus importante. Chaque élément chimique rayonne de l'énergie à des longueurs d'onde distinctes, qui reflètent leur structure atomique. Grâce aux procédures de la mécanique des ondes, les énergies des atomes dans divers états énergétiques et les longueurs d'onde caractéristiques qu'ils émettent peuvent être calculées à partir de certaines constantes physiques fondamentales, à savoir la masse et la charge des électrons, la vitesse de la lumière et la constante de Planck. Sur la base de ces constantes fondamentales, les prédictions numériques de la mécanique quantique peuvent rendre compte de la plupart des propriétés observées de différents atomes. En particulier, la mécanique quantique offre une compréhension approfondie de la disposition des éléments dans le tableau périodique, montrant, par exemple, que les éléments d'une même colonne du tableau devraient avoir des propriétés similaires.

Ces dernières années, la puissance et la précision des lasers ont révolutionné le domaine de la physique atomique. D'une part, les lasers ont considérablement augmenté la précision avec laquelle les longueurs d'onde caractéristiques des atomes peuvent être mesurées. Par exemple, les normes modernes de temps et de fréquence sont basées sur des mesures de fréquences de transition dans le césium atomique (voir horloge atomique), et la définition du compteur comme unité de longueur est désormais liée aux mesures de fréquence à travers la vitesse de la lumière. De plus, les lasers ont rendu possible des technologies entièrement nouvelles pour isoler des atomes individuels dans des pièges électromagnétiques et les refroidir à un niveau quasi absolu. Lorsque les atomes sont amenés essentiellement au repos dans le piège, ils peuvent subir une transition de phase mécanique quantique pour former un superfluide connu sous le nom de condensation de Bose-Einstein, tout en restant sous la forme d'un gaz dilué. Dans ce nouvel état de la matière, tous les atomes sont dans le même état quantique cohérent. En conséquence, les atomes perdent leur identité individuelle et leurs propriétés mécaniques quantiques ressemblant à des ondes deviennent dominantes. Le condensat entier répond alors aux influences externes comme une seule entité cohérente (comme un banc de poissons), plutôt que comme une collection d'atomes individuels. Des travaux récents ont montré qu'un faisceau cohérent d'atomes peut être extrait du piège pour former un «laser à atomes» analogue au faisceau cohérent de photons dans un laser conventionnel. Le laser à atomes est encore à un stade précoce de développement, mais il a le potentiel de devenir un élément clé des technologies futures pour la fabrication de dispositifs microélectroniques et autres nanométriques.