134
LE GRAND ROMAN DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE
Balmer découvrit que si n était fixé à 2 et m à 3, 4, 5 ou 6,
alors sa formule donnait la valeur presque exacte de chacune
des quatre longueurs d'onde. Par exemple, sin= 2 et rn= 3, la
formule donne la longueur d'onde de la raie rouge alpha.
Balmer fit toutefois plus que reproduire les quatre raies spectrales connues de l'hydrogène, baptisées plus tard série de
Balmer en son honneur. Il prédit l'existence d'une cinquième
raie quand n = 2, mais que rn= 7, sans savoir qu'Ângstrôm,
dont les travaux étaient publiés en suédois, avait déjà découvert
et mesuré sa longueur d'onde. Les deux valeurs, théorique et
expérimentale, coïncidaient presque parfaitement.
Si Ângstrôm avait été encore en vie (il était mort en 1874 à
cinquante-neuf ans) il aurait été abasourdi en voyant comment
Balmer s'était servi de sa formule pour prédire l'existence
d'autres séries de raies spectrales de l'atome d'hydrogène dans
l'infrarouge et l'ultraviolet simplement en fixant n à 1, 3, 4 et 5
et en donnant à m différentes valeurs entières, comme il l'avait
fait en fixant n à 2 pour générer les quatre raies originelles. Par
exemple, avec n = 3 et rn= 4 ou 5 ou 6 ou 7, etc., Balmer prédit
la série de raies dans l'infrarouge que Friedrich Paschen découvrit en 1908. Chacune des séries prédites par Balmer fut découverte ultérieurement, mais personne n'avait pu expliquer ce
qu'il y avait derrière le succès de sa formule. Quel mécanisme
physique symbolisait cette formule obtenue au terme d'un
processus de tâtonnement ?
« Dès que je vis la formule de Balmer, dit Bohr plus tard, tout
fut immédiatement clair pour moi 22 • » C'étaient les électrons
sautant entre différents niveaux d'énergie - différentes orbites
autorisées - qui produisaient les raies spectrales émises par un
atome. Si un atome d'hydrogène dans l'état fondamental n = 1
absorbe assez d'énergie, alors il «saute,, vers une orbite
d'énergie plus élevée telle que n = 2. L'atome est alors dans un
état d'excitation instable et regagne rapidement l'état fondamental stable lorsque l'électron redescend de n = 2 à n = 1. Il ne
peut le faire qu'en émettant un quantum d'énergie égal à la
différence d'énergie entre les deux niveaux, soit 10,2 eV. La
longueur d'onde de la raie spectrale résultante peut se calculer
en utilisant la formule de Planck-Einstein, E = hv, où v est la
fréquence du rayonnement électromagnétique émis.
LE GRAND ROMAN DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE
Balmer découvrit que si n était fixé à 2 et m à 3, 4, 5 ou 6,
alors sa formule donnait la valeur presque exacte de chacune
des quatre longueurs d'onde. Par exemple, sin= 2 et rn= 3, la
formule donne la longueur d'onde de la raie rouge alpha.
Balmer fit toutefois plus que reproduire les quatre raies spectrales connues de l'hydrogène, baptisées plus tard série de
Balmer en son honneur. Il prédit l'existence d'une cinquième
raie quand n = 2, mais que rn= 7, sans savoir qu'Ângstrôm,
dont les travaux étaient publiés en suédois, avait déjà découvert
et mesuré sa longueur d'onde. Les deux valeurs, théorique et
expérimentale, coïncidaient presque parfaitement.
Si Ângstrôm avait été encore en vie (il était mort en 1874 à
cinquante-neuf ans) il aurait été abasourdi en voyant comment
Balmer s'était servi de sa formule pour prédire l'existence
d'autres séries de raies spectrales de l'atome d'hydrogène dans
l'infrarouge et l'ultraviolet simplement en fixant n à 1, 3, 4 et 5
et en donnant à m différentes valeurs entières, comme il l'avait
fait en fixant n à 2 pour générer les quatre raies originelles. Par
exemple, avec n = 3 et rn= 4 ou 5 ou 6 ou 7, etc., Balmer prédit
la série de raies dans l'infrarouge que Friedrich Paschen découvrit en 1908. Chacune des séries prédites par Balmer fut découverte ultérieurement, mais personne n'avait pu expliquer ce
qu'il y avait derrière le succès de sa formule. Quel mécanisme
physique symbolisait cette formule obtenue au terme d'un
processus de tâtonnement ?
« Dès que je vis la formule de Balmer, dit Bohr plus tard, tout
fut immédiatement clair pour moi 22 • » C'étaient les électrons
sautant entre différents niveaux d'énergie - différentes orbites
autorisées - qui produisaient les raies spectrales émises par un
atome. Si un atome d'hydrogène dans l'état fondamental n = 1
absorbe assez d'énergie, alors il «saute,, vers une orbite
d'énergie plus élevée telle que n = 2. L'atome est alors dans un
état d'excitation instable et regagne rapidement l'état fondamental stable lorsque l'électron redescend de n = 2 à n = 1. Il ne
peut le faire qu'en émettant un quantum d'énergie égal à la
différence d'énergie entre les deux niveaux, soit 10,2 eV. La
longueur d'onde de la raie spectrale résultante peut se calculer
en utilisant la formule de Planck-Einstein, E = hv, où v est la
fréquence du rayonnement électromagnétique émis.