Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

    

Le proton et l'électron s'attirent... mais comment l'atome peut-il survivre ?

 

 

Deux charges électriques identiques se repoussent, tandis que 2 charges contraires s'attirent. Vous avez appris ceci à un moment ou à un autre : c'est un des fondements des lois de l'électrostatique. Le proton est une particule chargée positivement alors que l'électron est une particule élémentaire chargée négativement : ce sont des particules qui s'attirent électrostatiquement.

Mais voilà bien le problème : l'atome est constitué d'une noyau (protons positifs et neutrons neutres électriquement) autour duquel tournent (on dit abusivement "gravitent") des électrons. L'atome existe, puisqu'il constitue TOUT ce qui nous entoure : mais pourquoi les électrons ne sont-ils pas tentés de se laisser tomber, attirés par le noyau positif ?


Une vision "classique" de l'atome

Une vision quantique de l'atome (ici, celui d'hydrogène)

Nous sommes constitués d'atomes très, très vieux (ceux d'étoiles qui sont nées puis mortes, par exemple). A une époque où le refroidissement consécutif au Big Bang a été suffisant, soit près de 400 000 ans après le phénomène primordial, les électrons libres se sont associés aux noyaux (protons et neutrons, faits de quarks) pour former les atomes : on parle de recombinaison. Cette époque est aussi celle du découplage entre la matière et le rayonnement : les électrons étant alors la principale source d'absorption des photons (diffusion Thomson), leur recombinaison rend l'Univers soudainement transparent aux photons et est à l'origine de notre détection actuelle du rayonnement cosmologique diffus (aujourd'hui très basse, inférieure à 3 K).

Tout change lorsque l'Univers est âgé de 380 000 ans et que sa température est tombée à 3000 kelvins. Avant cette époque, protons et électrons sont libres et les atomes ne peuvent pas exister. Si, par hasard, un proton et un électron se rencontrent et s'associent pour former un atome, leur liaison est immédiatement détruite par un photon énergétique. Pour cette même raison, les photons, qui sont rapidement absorbés par ces atomes éphémères, ont une durée de vie très courte. Ils n'ont donc guère le temps de se déplacer, ce que l'on exprime en disant que l'Univers leur est opaque.

Lorsque la température de l'Univers atteint les 3000 degrés, l'énergie moyenne des photons passe alors sous le seuil de la liaison électron-proton. Le rayonnement perd ainsi sa capacité à dissocier les couples qui se forment. Les rencontres au hasard entre noyaux et électrons vont dorénavant donner naissance à des composés stables : les premiers atomes d'hydrogène ou d'hélium. C'est la recombinaison. En même temps, les photons sont maintenant trop peu énergétiques pour être absorbés par des atomes. La lumière n'a plus d'obstacle et les photons peuvent désormais se propager sans entrave. L'Univers devient transparent et le rayonnement se découple de la matière.

Le problème de la chute des électrons sur le noyau de l'atome (protons) a joué un rôle très important dans le développement de la mécanique quantique. Le modèle planétaire initié par Rutherford dès 1911 présentait une lacune essentielle : l'électron étant une charge électrique en rotation donc accélérée, il devait perdre continûment de l'énergie, ce qui l'aurait conduit à se rapprocher du noyau et, finalement, à s'y écraser, en des durées assez petites. Et l'existence immémoriale de l'atome ne supporte pas cette contrainte.

C'est l'amélioration apportée par Niels Bohr en 1913 qui apporte la solution : c'est la quantification de l'énergie de l'atome, qui scelle définitivement l'avènement de la physique quantique. Sur certaines orbites dites stables ou stationnaires, qui sont bien différenciées par quantification, l'électron ne rayonne aucune énergie ; il ne le fait qu'à condition de changer d'orbite (et de passer d'orbite stable en orbite stable, donc). Si l'introduction de ces contraintes reste dans le fond assez énigmatique, donc géniale en soi, son adoption permet d'expliquer l'existence de l'atome.

Par un raisonnement classique, avec une acception planétaire, on peut aussi être tenté de dire qu'à la manière des satellites, l'électron tournant autour du noyau tombe sans arrêt sur le noyau mais avec une vitesse suffisante pour qu'il ne s'y écrase pas. Cet argument est toutefois simpliste (il n'y a pas de gravitation ici) et ne tient pas du tout dans le formalisme quantique, où la trajectoire de l'électron autour du noyau n'est pas définie classiquement, mais en termes de probabilités de présence en un point à date donnée.

En conclusion, il faut comprendre que la réponse à la question posée n'est à ce jour toujours pas satisfaisante : l'esprit se heurte à un moment ou à un autre à une difficulté conceptuelle. La réalité qu'on décrit est ainsi faite, mais son explication est loin d'être simple.