L'atome quantique

Revenons à notre atome; la physique quantique va rendre le modèle de Bohr caduque et le remplacer par un modèle plus flou... plus difficile à se représenter.

En effet, nous avons vu que l'électron quantique est un agent double victime de la dualité onde-corpuscule. L'onde associée à l'électron correspond en fait à une probabilité de trouver ledit électron quantique en un endroit donné. 
La particule n'est plus un point matériel classique mais un paquet d'ondes probabilistes, une superposition de mouvements potentiels. Les orbites électroniques doivent faire place à la notion d'orbitales, sorte de sphères floues et probabilistes, dans lesquelles l'électron serait en quelque sorte dilué tout autour du noyau.

Ce n'est que lorsque les physiciens interagissent avec l'atome pour observer l'électron, que ce dernier leur apparaît comme une particule: C'est comme si le nuage électronique ondulatoire se réduisait soudain en une particule bien matérielle. S'il fallait risquer une image pour illustrer ce curieux phénomène, on pourrait imaginer l'électron comme un sous-marin qui émerge, le temps d'une mesure, de son océan probabiliste. Plus tard, il y replongera et il sera impossible à un observateur de surface de le localiser avec précison: on ne pourra plus que définir le volume de l'océan où le sous-marin peut probablement se trouver.
 

orbitale électronique	électron observé
nature ondulatoire	nature corpusculaire

Ce nouveau modèle de nuages électroniques obéit à un principe clé de la physique quantique: Le principe d'indétermination d'Heisenberg.
 
 

La forme des orbitales: Si nous étions réduit à l'échelle de l'atome, que verrions-nous? L'aspect de l'atome est déterminé par son orbitale visible, c'est-à-dire la plus externe. L'orbitale de l'hydrogène est la plus simple : elle est sphérique car son électron est tout seul. Les autres atomes, tels l'oxygène ou le carbone, ont des orbitales beaucoup plus complexes car leur couche électronique externe contient plusieurs électrons dilués en autant d'orbitales distinctes. La physique quantique excluant que deux orbitales électroniques puissent se superposer au même endroit, ces orbitales externes se repoussent donc mutuellement et nous offrent ainsi des aspects plus complexes:

Le principe d'indétermination d'Heisenberg
 

Outre le fait que le physicien allemand Werner Heisenberg est le père de cette loi (parfois aussi nommée principe d'incertitude), que nous dit ce principe ? qu'il est impossible de déterminer avec précision et simultanément la position et la vitesse d'une particule comme l'électron. La notion de trajectoire exacte n'a pas de sens pour les particules. Ce paradoxe quantique (encore un !) est lié à la difficulté d'observer un électron...

Comment observer un électron ?

On ne peut observer quelque chose qu'en l'éclairant avec de la lumière. Or à l'échelle de l'infiniment petit, cela pose un problème tout à fait nouveau. Le moindre photon qui percute ou interagit avec un électron va modifier la trajectoire initiale de ce dernier ou le faire changer d'orbitale. A cette échelle, le photon devient un projectile qui pourra déterminer la position de l'électron, mais qui aura en même temps modifié sa vitesse et sa trajectoire; celle ci ne pourra donc pas être connue en même temps. La moindre mesure interfère avec l'objet de la mesure... et la change!
 
 

Pt'Hibou le hibou quantique.

Osons une nouvelle image pour illustrer ce principe: La nuit au fond des bois, un amoureux de la nature entend le hululement d'un hibou. S'il veut, en même temps, voir le volatile, il devra braquer sur lui une lampe torche: Il est à parier que le hibou, ébloui, arrêtera son chant. D'où le dilemne insoluble: On ne peut pas à la fois entendre et voir le hibou...Hélas!