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Niels Bohr
Niels Bohr (1885-1962), physicien danois, a proposé en 1913 un modèle de l’atome à orbites quantifiées et dirigé l’école de Copenhague, berceau de la mécanique quantique. Il a reçu le prix Nobel de physique 1922.
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Bohr est l’un des fondateurs de la physique quantique et l’un de ses principaux interprètes. Son institut de Copenhague a accueilli dans les années 1920 presque tous les jeunes physiciens qui ont construit la mécanique quantique. Ses longs débats avec Einstein sur le sens de la théorie sont restés célèbres. Après 1945, il a plaidé pour un contrôle international de l’arme atomique.
Repères chronologiques
| Date | Événement |
|---|---|
| 7 octobre 1885 | naissance ; son père est professeur de physiologie, sa mère issue d’une famille de banquiers juifs |
| 1903-1911 | études à l’université de Copenhague ; thèse sur les électrons dans les métaux (1911) |
| 1911-1912 | séjour en Angleterre : Cambridge (J. J. Thomson), puis Manchester (Rutherford) |
| 1913 | publie son modèle de l’atome d’hydrogène, en trois articles |
| 1916 | professeur de physique théorique à Copenhague |
| 1921 | inauguration de l’Institut de physique théorique |
| 1922 | prix Nobel de physique ; naissance de son fils Aage, futur Nobel |
| 1927 | expose le principe de complémentarité (congrès de Côme) ; débat avec Einstein au congrès Solvay |
| 1930 | nouvel affrontement avec Einstein au congrès Solvay |
| 1939 | avec John Wheeler, théorie de la fission nucléaire |
| 1941 | visite de Heisenberg à Copenhague |
| septembre-octobre 1943 | fuit le Danemark occupé vers la Suède, puis l’Angleterre et les États-Unis |
| 1943-1945 | conseiller du projet Manhattan à Los Alamos |
| 1950 | lettre ouverte aux Nations unies pour un « monde ouvert » |
| 1954 | participe à la fondation du CERN |
| 18 novembre 1962 | mort à Copenhague |
Le modèle de Bohr (1913)
Le modèle de Rutherford (1911) décrit un noyau entouré d’électrons, mais il est instable selon la physique classique. Bohr y introduit l’idée de quantum de Planck et d’Einstein. Ses postulats :
- l’électron ne peut se trouver que sur certaines orbites permises, d’énergie déterminée, où il ne rayonne pas ;
- il passe d’une orbite à une autre par un saut quantique ;
- lors de ce saut, il émet ou absorbe un photon dont l’énergie est exactement égale à la différence d’énergie entre les deux orbites.
Le modèle explique pour la première fois les raies du spectre de l’hydrogène, connues par la formule empirique de Balmer (1885), et permet de calculer la constante de Rydberg à partir de constantes fondamentales. Il échoue pour les atomes à plusieurs électrons et sera remplacé en 1925-1926 par la mécanique quantique de Heisenberg et Schrödinger, mais l’idée de niveaux d’énergie quantifiés demeure. Voir l'atome.
Le prix Nobel de physique 1922 lui est attribué « pour ses travaux sur la structure des atomes et le rayonnement qui en provient ». Le prix 1921, remis à Einstein la même année, avait été reporté.
Le principe de complémentarité
En 1927, Bohr propose le principe de complémentarité : un objet quantique, comme l’électron ou la lumière, présente des aspects ondulatoires et corpusculaires qui s’excluent dans une même expérience mais sont tous deux nécessaires à sa description complète. Ce que l’on observe dépend du dispositif de mesure.
Avec Heisenberg et Max Born, il élabore l'interprétation de Copenhague, qui reste l’interprétation la plus enseignée : la théorie ne décrit pas une réalité indépendante de l’observation, mais les résultats possibles des mesures et leurs probabilités.
Les débats avec Einstein
| Question | Einstein | Bohr |
|---|---|---|
| la mécanique quantique est-elle complète ? | non, il manque des variables | oui |
| le hasard est-il fondamental ? | non : « Dieu ne joue pas aux dés » (formule rapportée de sa correspondance) | oui |
| réalité indépendante de la mesure ? | oui | la question n’a pas de sens hors du dispositif expérimental |
Lors des congrès Solvay de 1927 et 1930, Einstein imagine des expériences de pensée pour prendre la théorie en défaut ; Bohr les réfute une à une, utilisant en 1930 la relativité générale d’Einstein contre son auteur. Le débat se poursuit avec l’article EPR (1935). Les expériences d’Alain Aspect (1982) et de ses successeurs, récompensées par le Nobel de physique 2022, ont confirmé les prédictions de la mécanique quantique. Voir Albert Einstein.
La guerre et l’arme atomique
En 1939, avec John Wheeler, Bohr explique la fission nucléaire par le modèle de la « goutte liquide » et montre que c’est l’uranium 235 qui fissionne. En 1941, son ancien élève Heisenberg, alors à la tête de recherches nucléaires allemandes, lui rend visite à Copenhague ; le contenu de leur conversation reste discuté. Menacé d’arrestation en 1943 en raison des origines juives de sa mère, Bohr gagne la Suède en barque, puis l’Angleterre dans la soute d’un bombardier. Il participe comme conseiller au projet Manhattan. Il tente sans succès de convaincre Churchill et Roosevelt de partager le secret atomique avec l’URSS pour éviter une course aux armements. Voir fission et fusion nucléaire.
Héritage
L’élément 107 porte son nom, le bohrium. Le rayon de Bohr (environ 0,053 nanomètre) est l’unité de longueur naturelle de la physique atomique. Son fils Aage Bohr a reçu le prix Nobel de physique 1975.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que le modèle de Bohr ?
Un modèle de l’atome (1913) dans lequel les électrons tournent autour du noyau sur des orbites d’énergie fixée et émettent ou absorbent de la lumière en sautant d’une orbite à l’autre.
Pourquoi Niels Bohr a-t-il eu le prix Nobel ?
Pour ses travaux sur la structure des atomes et le rayonnement qu’ils émettent. Il a reçu le prix Nobel de physique 1922.
Qu’est-ce que l’interprétation de Copenhague ?
L’interprétation de la mécanique quantique élaborée par Bohr, Heisenberg et Born : la fonction d’onde donne les probabilités des résultats de mesure, et les propriétés d’un objet quantique dépendent du dispositif qui l’observe.