De l'observation de la lumière à la naissance de la mécanique quantique

À la fin du XIX^e siècle, l'avènement de générateurs d'électricité plus efficaces favorise l'essor de l'éclairage public. Dans leur quête d'amélioration des lampes utilisées, des scientifiques se penchent sur l'explication des spectres lumineux atomiques, comme celui de l'hydrogène représenté ci-dessous.

En 1900, Max Planck propose une hypothèse novatrice selon laquelle la lumière est émise par des "paquets" d'énergie, appelés photons. Cette idée révolutionnaire ouvre la voie à une nouvelle approche de la physique : la mécanique quantique. Cependant, le modèle planétaire de l'atome (établi par Ernest Rutherford) ne parvient pas à expliquer les spectres d'émission.

Niels Bohr apporte une avancée majeure en 1913 en démontrant que les atomes ne peuvent exister que dans des états d'énergie quantifiés. Selon ce modèle, les raies d'émission d'un spectre sont expliquées par les transitions des atomes entre différents niveaux d'énergie. Sur le graphique ci-dessous, on a par exemple représenté les cinq premiers niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène :

L'écart entre ces différents niveaux d'énergie impose que seuls certains photons peuvent être émis ou absorbés par l'hydrogène : ceux dont les longueurs d'onde correspondent à celles qu'on retrouve dans le spectre lumineux de l'atome.

Contrairement à la physique classique, la physique quantique utilise des probabilités pour décrire les phénomènes à l'échelle de l'infiniment petit. Par exemple, dans le modèle quantique de l'atome d'hydrogène, la position de l'électron autour du noyau est définie par une probabilité de présence plutôt que par une position déterminée.