HYDROGÈNE (physique)

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Hydrogène et naissance de l’électrodynamique quantique

En 1947, Willis Lamb (1913-2008) réussit à mesurer très précisément une minuscule différence d'énergie entre deux états excités de l’atome d’hydrogène qui ne devait pas exister selon les théories existantes. Ce « décalage de Lamb » – comme on l'appelle depuis lors – montre des insuffisances dans la théorie quantique existante, malgré les progrès introduits en 1928 par Paul Dirac (1902-1984) pour décrire correctement l'électron en tenant compte de son spin. Pour expliquer ce décalage des niveaux d’énergie de l’hydrogène, il apparaît qu’en gardant le formalisme introduit par Dirac pour l’électron, il faut aussi « quantifier » le champ électromagnétique et considérer en même temps l’énergie de l’électron sur son orbite et l’état du champ magnétique présent autour du noyau. En d’autres termes, il faut incorporer l’électromagnétisme dans la mécanique quantique. Il faut en particulier prendre en compte le fait que l'électron est entouré de paires virtuelles évanescentes formées d’un électron (e) et d’un positron (e+), phénomène qu'on désigne comme la « structure complexe du vide quantique ». Cela signifie qu’on doit soigneusement distinguer le « néant » du « vide physique quantique », ce dernier étant défini comme l’état d’énergie minimale d’un système physique, par exemple l’entourage d’un électron. Les travaux théoriques, initiés par un premier calcul de Hans Bethe (1906-2005) en 1947 et parachevés quelques années plus tard par Richard Feynman (1918-1988), Julian Schwinger (1918-1994) et Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979), et beaucoup d’autres théoriciens, ont permis la construction de ce que beaucoup considèrent comme un des plus grands succès de la physique moderne : l’électrodynamique quantique. Toutes les lois de l’électromagnétisme classique dérivent de l’électrodynamique quantique, ce qui permet de plus de comprendre des phénomènes optiques ou magnétiques nouveaux, des lasers aux semi-conducteurs.

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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

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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 24 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hydrogene-physique/