« Z. : Pyyym, j’peux me plaindre deux minutes de mon cours de chimie ? Pasque, j’ai pas tout tout compris…
PYM : Mmmmh… oui aucun prob…
Z. : C’était un bail à base de quatre nombres quantiques et de sous-couches électroniques de chépaquoi. »

Nan, mais faut prévenir avant de balancer de la physique quantique au nez des gens comme ça ! Mais bon vous allez voir, ça passe très bien quand on y va pas à pas.

De quoi qu’on cause ?

Alors de quoi on parle là exactement ? Pourquoi on veut faire mumuse avec des “niveaux d’énergie”, des “couches” et autres absurdités, machins chelous, merveilles de la physique ?

En vrai, c’est juste une histoire de rangement… Z.… Z. ?

C’est juste une histoire de rangement, disais-je donc 🙄 : on cherche à voir comment ranger les électrons d’un atome… Un “truc de physicien psychorigide”, me dit-elle ? En fait non… même pas des masses un truc de physicien. C’est plutôt un problème de chimiste.

En gros, fin XIXe, début XXe on sait quoi sur les atomes ? Bon déjà on est vaguement d’accord sur le fait qu’ils existent (oui, on en est encore là…) et au XXe on sait même comment c’est fait (merci monsieur ²) :

un noyau positif (maintenant, on sait qu’il est constitué de neutrons neutres et de protons positifs)
plein d’électrons autour
beaucoup de vide

Ça, c’est les ~~gens bien~~ physiciens. Mais les ~~branleurs~~ chimistes, eux, savaient plein plein d’autres trucs sur les atomes :

ils ont des masses différentes
ils peuvent former des ions positifs (cations) ou négatifs (anions), mais ça a l’air différent pour chaque élément
ils réagissent entre eux… mais pas tous avec tout le monde

Ils appellent d’ailleurs les différents types d’atomes des “éléments chimiques” : hydrogène, oxygène, carbone… tout ça…

Et comment ils savent tout ça les loulous ? Bah… dès qu’ils trouvent un nouvel élément, ils font tout pleins de tests chimiques en essayant de les faire réagir avec tout et n’importe quoi. Autant te dire que l’histoire de la chimie est jonchée d’erreurs, l’élément qui n’existe pas, de truc découvert deux, trois ou quatre fois. Et quand, comme Mme Curie, tu bosses sur un élément rare… c’est chaud patate de le faire réagir avec plein de trucs vu que tu as déjà pas des masses de ton super nouvel élément…

Bref, les chimistes avaient plein d’infos sur les éléments, mais vraiment obtenues de manière très empirique. Ils ont fini par réussir à les mettre tous dans un grand tableau pour essayer de les ranger selon comment ils réagissaient chimiquement : le tableau périodique des éléments !

Ouais… sauf que… ben, il a changé 40 fois le machin vu selon comment on faisait et refaisait les expériences et à la moindre découverte d’un élément c’était la guerre pour le faire rentrer dedans. Mendeleïev était célèbre pour ça : son tableau changeait un peu au gré du vent… Donc les physiciens se foutaient un peu de leur gueule aux chimistes.

Et les chimistes leur répondaient « Au lieu de faire les cons essayez de trouver pourquoi les éléments, qui sont tous des atomes, réagissent comme ci ou comme ça ! ». Genre, histoire qu’on puisse prévoir et comprendre ce qu’on fait, quoi.

Les physiciens ont ri.
Ils ont essayé.
Ils ont arrêté de rire.

C’est quoi l’idée ? Et c’est quoi de problème ?

Depuis un bon moment, on avait compris que les propriétés chimiques des atomes viennent de leurs électrons :

ils s’assemblent pour former des molécules en partageant des électrons
ils perdent ou gagnent des électrons pour former des ions
ils ont des propriétés magnétiques et électrostatiques qui sont liées à leurs électrons aussi

Mais par contre, on a vite vu que tous les électrons d’un atome ne rentraient pas en jeu… l’hydrogène, qui n’en a qu’un, OK il les utilise tous… mais l’uranium qui en a plus d’une centaine n’en utilise que 8 au maximum. WTF ?!

Il devait donc y avoir un bail où juste “les électrons du dessus” pouvaient agir… ou une connerie comme ça.

Les physiciens ont donc dû essayer de comprendre “comment c’est fait un atome exactement ?”

Et voilà ! On se retrouve à essayer de comprendre comment on range les électrons dans un atome… et rapidement on se rend compte qu’on aurait mieux fait d’essayer de comprendre le rangement d’une chambre d’ado, ça aurait été plus simple.

Mathématicienne étudiant la théorie du chaos

La quête de la Sainte Structure Atomique

Au début, les physiciens étaient assez confiants : ils avaient percé le secret de la structure des atomes (un petit noyau positif et des électrons négatifs autour) et ça ressemblait pas mal au système solaire (un gros soleil au milieu et des s autour).

Alors attention, maintenant, commence le défilé des fails…

Essai 1 : Planétologie de maternelle

« Bah… on met les électrons qui tournent autour un peu en vrac chacun avec une orbite qui lui est propre. »

Aparté : comment on a su que c’était pas ça ?

Alors le premier truc qu’on a fait pour aider les chimistes ça a été de le filer du vrai matos (pas des éprouvettes, des ballons chauffants et des fiofioles de machins aqueux quoi !) pour faire des vraies expériences.

Et les voilà à faire de la spectroscopie !

Un truc où tu excites des atomes ~~avec des magazines cochons~~ en les chauffant et les mettant dans un champ électrique… et tu regardes quelle lumière ça fait (tu la fais passer dans un prisme³ et ça fait un spectre d’où le nom “spectroscopie”).

En quoi c’est lié à nos électrons ? En fait, c’est eux qui émettent la lumière en question :

Ils sont tranquillous autour de leurs noyaux
On les excite comme des petits fous avec du champ électrique et/ou de la température
Ils sont tout gorgés d’énergie et sont plus trop stables alors ils “sautent” sur une orbite plus haute (si tu leur files trop d’énergie, ils arrivent même à s’arracher totalement de l’atome qui devient un ion)
Bon, ils perdent assez vite le gout des hautes énergies, les petits électrons alors ils finissent par redescendre sauf que…
…ils ont un surplus d’énergie (celle qui les avait fait monter !) alors, ils s’en débarrassent en émettant un photon (grain de lumière) qui a pile-poil cette énergie (à chaque énergie correspond une couleur du spectre)

C’est le yoyo des électrons excité !

Back to business : pourquoi ça fail, le modèle des “électrons en vrac” ?

Et ben si on pouvait mettre des électrons en vrac alors ils pourraient sauter à n’importe quelle hauteur quand on les excite… et donc on aurait un beau spectre continu avec plein de couleur comme un caca de licorne… sauf que nan. On ne voit 3~4 raies…

Essai 2 : On empile les couches

Bon, s’ils ne sont pas en vrac… on va faire des genres de couches où les électrons pourraient s’entasser… c’est mieux ?

Oui.

Mais non.

Bon, faut que je reprenne de l’aspirine moi…

Bon avec l’idée des couches ça marche mieux : les électrons passent d’une couche à l’autre et les énergies (c’est-à-dire les raies) observées semblent correspondre…

Sauf que… ben statistiquement, ça devrait arriver que des fois un électron redescende “à mi chemin” quand il était en train de monter 👉 ça devrait faire des petites raies n’importe où de temps en temps

Mais nan. C’est comme si nos électrons se téléportaient !

En plus, on a ZÉRO explication pour l’existence de ces couches ! On dirait du boulot de chimiste : quand tu vois un truc, tu le mesures, tu lui donnes un nom (“couche électronique” ici) et tu dis que tu as tout compris et tout expliqué. #chimisteBashing

Donc en matière de théorie pour expliquer et prévoir c’est zéro

Essai 3 : On va en remettre une couche

« Bon, bah… on a qu’à dire qu’il y a des “p’tits niveaux” à l’intérieur des gros niveaux…
— Mais, bordel, ça résout aucun des problèmes !? Mec ! Tu t’en rends compte ou bien ?? Et en plus, c’est plus compliqué et ça n’explique rien de plus !
— 👉👈 bah oui, mais ça décrit mieux les petites sous-raies qu’on a vraiment observé en plus des grosses raies…
— MAIS J’EN AI MÊME PAS PARLÉ !
— 👉👈 Bahouimécémoinpire
— RIEN DU TOUT ! ET D’OÙ TU SORS TON IDÉE DE SOUS-NIVEAU LÀ ?
— 😮… Mais, yen a en vrai des s comme ça dans le système solaire ?
— 👉👈 Euh… non, monsieur… »

Bref tout ça a commencé à mettre un peu sur la piste de « et si, un atome, ce n’était pas un système solaire, ma bonne dame ?! Hein ! » Hypothèse, dites, de Roger-le-vieux-papy-du-PMU.

Je vous passe tous les essais bizarres, compliqués et passablement foireux de l’époque. Nan il fallait se rendre à l’évidence, un atome ça fonctionne pas comme un système solaire avec des jolis petits électrons qui tournent autour d’un gros noyau… ⁴

Bon donc on a besoin d’une nouvelle bonne idée !

Essai 3877 : Here comes a new challenger!

Hep Jeffrey ! Envoie-nous une théorie s’il te plait ! 🥂🍾

Et la solution est venue, non pas de Jeffrey, le majordome du Prince de Bel Air… mais d’un petit physicien inconnu et détesté de ses profs…

…un mec banal…
…dont personne n’a retenu le blaze…
…un illustre inconnu…
…vraiment…
…
…
…mal coiffé en plus !
…
…
…

Il a eu son prix Nobel, absolument pas pour sa théorie de la relativité… nan, mais sur un truc tout moisi : l’effet photoélectrique.

C’est un phénomène assez proche de celui qui permet aux électrons quand ils se désexcitent de perdre de l’énergie en émettant un photon… là, c’est quand on arrive à arracher des électrons à un matériau ou un atome juste en envoyant de la lumière dessus.

Je ne vais pas expliquer ça, car ça n’a pas, ici, des masses d’intérêt. Par contre, ça a permis une confirmation : la lumière est quantique.

Au sens littéral : elle est quantifiée, on ne peut pas envoyer “un tout petit peu de lumière”… il y a un minimum une “quantité minimum” on dit un quantum⁵. Ça correspond au fait que la lumière est constituée de “grains” qui transportent exactement un quantum d’énergie lumineuse.

Il est donc absolument impossible d’envoyer 1.5 quantum d’énergie lumineuse… c’est soit 1 soit 2. Monsieur Plank avait trouvé un truc exactement équivalent dans un autre domaine.

Ainsi était née la “physique quantique”… une physique ou on a des quantités entières fondamentalement impossibles à séparer ! ⁶

On parlait justement de caca de licorne tout à l’heure

Donc, on a la physique quantique… ouais… sauf que ben… qu’est-ce que the fuck ? En quoi ça nous aide à ranger nos électrons ??? On avait vu que nos électrons on était plus ou moins obligé de les ranger par couche et que leur passage d’une couche à l’autre correspondait bien aux raies observées. Mais par contre les électrons semblaient se téléporter d’une couche à l’autre et ça, c’était bizarre… un peu comme si les électrons ne pouvaient exister que exactement sur ces niveaux et pas du tout entre…

Wait a minute… 🤔

Ça ressemble à des niveaux quantifiés, ça ! Comme si nos électrons ne pouvaient exister que sur des niveaux entiers : 1, 2, 3…

Bordel, mais oui ! Avec un électron quantique, ça expliquerait ce bail de téléportation : l’électron est soit sur la couche 1 soit sur la 2, mais comme ça serait quantifié… jamais entre les deux ! On a donc décidé d’appeler ça le “nombre quantique principal” de l’électron et on le note n (parce que les physiciens ne sont pas des mecs avec le plus d’imagination du monde)⁷.

Bon, mais ça veut juste dire qu’on a donné des numéros aux orbites de nos électrons autour du noyau… OK, les orbites sont numérotées par des nombres entiers. C’est pas très révolutionnaire…

Eh bah nan… en fait, ça n’a rien à voir. Car en fait depuis le début on essaye de faire tourner des électrons autour de notre noyau comme des p’tites planètes… mais est-ce que c’est vraiment le cas ?

To be continued…

Remerciements

Je tiens à remercier Cécile, Ophélie, Gui² et bien sûr Z. pour leurs questions, relectures, corrections, discussions et tout. Parce que, il faut bien avouer, cet article a été particulièrement velu, un genre de 😸Maine coon😸 de la physique !

Crédits photo

Photo Solvay Conference in 1927 colorisée par Sanna Dullaway, photographiée par Benjamin Couprie, Institut International de Physique Solvay, courtesy AIP Emilio Segrè Visual Archives
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Notes de bas de page

Il est possible que Z. soit notoirement bordélique. Mais elle a un alibi parfait « Nan, mais si ! On peut pas être bordélique quand on est ado, sérieux ?! ». Inattaquable.↩︎
On imagine toujours les scientifiques du XIXe, début XXe comme des mecs tout maigres et très sérieux qui passe leur vie dans des bibliothèques ou à faire des expériences bizarres. Lui, c’était un pilier de rugby qui était aussi un super scientifique. Donc, il faut imaginer un ~~british~~ Néozélandais bien stock avec un cou de taureau, mais qui vous défonce en arithmétique d’une seule main… un mec bien. D’ailleurs, c’est lui qui a dit « La science est soit de la physique, soit de la philatélie. ».↩︎
En vrai, on n’utilise pas un prisme (qui a plein de défauts qu’on appelle aberrations chromatiques), mais un réseau, c’est-à-dire une plaque avec plein de petites fentes kro kro fines. Pourquoi ça marche comme un prisme ? Euh… là, ça vaudrait un post complet juste pour expliquer ça… un post assez cool d’ailleurs… mais, les prismes, ça fait des jolies pochettes d’album, me dit-on dans l’oreillette.↩︎
Qu’on s’est rendu compte de la foiritude de décrire les atomes comme des minis systèmes solaires (modèle dit de Bohr… de monsieur Niels Bohr, un bon coquin : ce sont deux thésards à lui qui ont interprété son expérience à laquelle il ne comprenait rien…) dès le début du XXe siècle. Et que pourtant même maintenant au XXIe siècle on continue à l’enseigner comme ça et tout le monde à cette idée foireuse en tête à cause de ça 🙄↩︎
Au pluriel, on dit des quanta. Enfin avant la réforme 1990 maintenant on doit dire un quantum des quantums… mais personne ne fait ça.↩︎
Oui, maintenant, vous savez d’où vient le mot quantique : ça veut dire quantifiée aka “qui a une quantité entière”.↩︎
En vrai, il y a des calculs littéralement imbitables qui ont permis de vérifier que ce résultat avait vraiment du sens physiquement en prenant en compte les vraies interactions électromagnétiques entre noyau et électrons.↩︎