HYDROGÈNE (physique)

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Le spectre de l’atome d’hydrogène et l’avènement de la mécanique quantique

L’observation d’un arc-en-ciel introduit à la notion de spectre d’un rayonnement. La lumière du soleil, en traversant un nuage de gouttelettes d’eau, se décompose en rayons de couleurs différentes, du rouge au violet, c’est-à-dire en ondes électromagnétiques de diverses longueurs d’onde. Le spectre du soleil semble continu, mais des physiciens du xixe siècle – dont le plus connu est le Danois Anders Angström (1814-1874) – ont découvert que les éléments, et en particulier l’hydrogène, n’émettaient de la lumière qu’à certaines longueurs d’onde discrètes, bien définies : un élément est ainsi caractérisable par un ensemble (ou spectre) de raies d’émission.

Les longueurs d’onde des raies d’un spectre ne sont pas indépendantes les unes des autres. En 1885, le mathématicien suisse Johann Balmer (1825-1898) propose une formule empirique pour décrire les ondes présentes dans le spectre de l’hydrogène : leur longueur d’onde λ  est égale à H·m2/(m2 – 4), avec H = 364,56 nanomètres (nm), m prenant les valeurs entières supérieures à 2. Trois ans plus tard, Johannes Rydberg (1854-1919) généralise cette formule en l’écrivant sous la forme 1/λ = RH(1/n2 – 1/m2), n et m étant des entiers, avec m > n, et RH, dénommée constante de Rydberg (1854-1919), ayant pour valeur 10 973 730 m-1. Cette formule permet de rendre compte non seulement des raies correspondant à la série de Balmer (dans laquelle = 2) mais aussi des séries dites de Lyman (n = 1), de Paschen (n = 3), de Brackett (n = 4) et de Pfund (n = 5), qu’on détecte dans les domaines ultraviolet (série de Lyman, longueurs d’onde de 121 à 91 nm), visible (série de Balmer, longueurs d’onde de 636 à 365 nm) ou infrarouge (les autres séries, longueurs d’onde de 820 à 7 496 nm).

Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène

Dessin : Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène

Il existe trois groupes de raies d'émission de l'hydrogèner : série de Lyman dans l'ultraviolet, série de Balmer dans le visible et série de Paschen dans l'infrarouge. À droite sont représentées les raies de la série de Balmer et leurs longueurs d'onde en nanomètres, du rouge à... 

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En 1896, le physicien néerlandais Pieter Zeeman (1865-1943) découvre que l’ [...]

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Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène

Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène
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Les modèles successifs de l’atome

Les modèles successifs de l’atome
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Expérience de Rutherford

Expérience de Rutherford
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Exemple de diagramme de phase de l’hydrogène

Exemple de diagramme de phase de l’hydrogène
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Écrit par :

  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « HYDROGÈNE (physique) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 19 septembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hydrogene-physique/