La mécanique quantique rend des atomes invisibles proches du zéro absolu

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La révolution de la physique quantique a été initiée par les travaux de Max Planck sur le rayonnement du corps noir, mais ce qui va vraiment mener aux découvertes de Louis de Broglie, Warner Heisenberg et Erwin Schrödinger, de 1923 à 1926, ce sont les travaux conjoints de Niels Bohr et Albert Einstein sur la structure des atomes et la manière dont ils absorbent et émettent de la lumière. Ils conduiront Einstein à la découverte de l’effet laser et au fameux phénomène de condensation de Bose-Einstein qui vaudront à Wolfgang Ketterle, Eric Cornell et Carl Wieman le prix Nobel de physique de 2001.


Une présentation de la physique quantique à partir de l'histoire de sa découverte. © CEA Recherche

Des niveaux d'énergie discrets avec des règles d'occupation et de transition précises

Bohr et ses continuateurs, comme Arnold Sommerfeld, vont montrer que les raies et les bandes spectrales associées aux atomes et aux molécules diatomiques se comprennent bien si les électrons dans ces systèmes atomiques ne peuvent exister que dans des états d’énergie discrets. Ces états peuvent être caractérisés par des nombres entiers et il est possible aux électrons de passer de certains niveaux d’énergie à d’autres en émettant ou absorbant des photons. Tous les sauts quantiques ne sont pas autorisés et il existe à ce sujet ce que l’on appelle des règles de sélection.

Enfin, l’étude de ces sauts montre, comme le prix Nobel de physique Wolfgang Pauli allait le comprendre, que des électrons ne peuvent pas s’entasser sur un seul niveau d’énergie, ou dit autrement qu’il semble exister dans la nature un principe d’exclusion n’autorisant pas un électron dans un système atomique à posséder les mêmes nombres quantiques entiers associés à une même valeur de l’énergie pour ces électrons.

Plus récemment, on parle implicitement de ce principe lorsque l’on discute de ce qui a été appelé le blocage de Pauli et qui illustre en fait cette impossibilité pour un électron, ou d’autres particules analogues que l’on...

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