# Il y a un siècle...

## RESUME

L'année 1913 a été marquée par la publication des trois articles de Niels Bohr sur la structure atomique et le prix Nobel de Kamerlingh Onnes pour la découverte de la supraconductivité.

Jean-Christophe Pain

Laboratoire de Physique Atomique des Plasmas
CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon

jean-christophe.pain@cea.fr

## LES TROIS ARTICLES DE NIELS BOHR PARUS EN 1913

Niels Henrik David Bohr (1885 - 1962) entre en 1903 à l'université de Copenhague où il obtient un doctorat en 1911 intitulé « Sur la théorie électronique des métaux », contenant ses premières idées sur la structure atomique. Il obtient une bourse de la fondation Carlsberg (créée par le fondateur de la célèbre brasserie) et souhaite dans un premier temps travailler à l'université de Cambridge avec le professeur Joseph John Thomson dont le modèle atomique, sphère de charge positive dans laquelle sont plongés les électrons, ne le satisfait pas totalement. Bohr rencontre alors Ernest Rutherford (qui obtiendra le prix Nobel de chimie en 1908 pour la découverte de la radioactivité accompagnant la désintégration des éléments chimiques) qu'il rejoint à Manchester. Il rentre au Danemark en 1912 et se marie peu de temps après. De cette union naîtront six garçons, le plus connu étant Aage Bohr, lauréat du prix Nobel de physique de 1975 avec Ben Roy Mottelson et Leo James Rainwater pour la découverte du lien entre les mouvements collectifs et particulaires dans les noyaux atomiques et le développement de la théorie de la structure du noyau qui en résulte.

C'est en 1913 qu'un ami étudiant, Hans Magnus Hansen, demande à Bohr, alors assistant à la chaire de physique de l'université de Copenhague, si son modèle pourrait apporter des informations sur les spectres atomiques ; Bohr lui ayant répondu par la négative, Hansen lui conseille de jeter un coup d'œil à la formule de Balmer. « Dès que je vis la formule de Balmer, tout devint clair pour moi », dira Bohr bien des années plus tard [1]. En s'appuyant sur les théories de Rutherford, Bohr publie en 1913 un modèle de la structure de l'atome et de la liaison chimique dans une série de trois articles dans la revue « Philosophical Magazine » [2,3,4] dans lesquels il postule l'existence d'états stationnaires pour un système atomique dont le comportement peut être décrit par la mécanique classique, alors que la transition d'un état stationnaire à un autre est un processus non classique accompagné de l'émission ou l'absorption d'un quantum de rayonnement dont l'énergie est égale à la fréquence multipliée par la constante de Planck. Cette théorie présente l'atome comme un noyau autour duquel gravitent des électrons. Les orbites les plus éloignées, comprenant le plus d'électrons, déterminent les propriétés chimiques de l'atome. Les électrons ont la possibilité de passer d'une orbite à une autre, émettant un quantum d'énergie, le photon. Cette théorie est à la base de la mécanique quantique et Albert Einstein s'y intéresse de très près dès sa publication.
Durant la Première Guerre mondiale, le Danemark est un État neutre et Bohr peut rester dans la recherche civile, même en Angleterre où il occupe un poste de professeur à l'université de Manchester depuis 1914. Il en profite pour peaufiner son modèle atomique en y introduisant des effets relativistes du mouvement des électrons, théorie qui sera reprise et complétée par Arnold Sommerfeld. En 1916, Bohr devient professeur à l'université de Copenhague dans la chaire de physique théorique fraîchement créée. Il fonde un institut de physique théorique, qui prendra le nom de « Niels Bohr Institut » en 1965. Pendant les années 1920, il complète sa théorie, parvenant à établir une relation étroite entre le tableau de Mendeleïev et la structure électronique des atomes. Il reçoit le prix Nobel de physique en 1922 « pour ses études de la structure des atomes et des radiations qui en proviennent », publiées dans la « trilogie » de 1913.

Bohr est aussi à l'origine du principe de complémentarité : la lumière est à la fois une onde et un faisceau de photons, mais ces deux aspects ne peuvent être perçus simultanément. Il travaille également sur le principe de complémentarité en biologie. En octobre 1927, il rencontre pour la première fois Albert Einstein au cours du cinquième congrès Solvay avec qui il aura de très fréquents entretiens jusqu'en 1935. Einstein dira de lui «... que ces fondements contradictoires et peu sûrs aient suffi à un homme doué de l'instinct et de la perspicacité uniques de Bohr pour découvrir la loi capitale des raies spectrales et des couches électroniques de l'atome en même temps que leur signification du point de vue chimique m'apparut comme un miracle et apparaît encore comme tel aujourd'hui. C'est la forme la plus élevée de la musicalité dans la sphère de la pensée » [5]. Cependant, la théorie quantique ne satisfait pas Einstein du point de vue épistémologique [6]. Bohr, au contraire, considère qu'il s'agit d'une théorie parfaitement achevée. Lors d'un débat devenu célèbre, alors que Niels Bohr se dispute avec Albert Einstein à propos de la réalité de la physique quantique, Einstein, excédé, lui lance : « Dieu ne joue pas aux dés ! », ce à quoi Bohr répond : « Qui êtes-vous Einstein, pour dire à Dieu ce qu'il doit faire ! » [7]. Ces réflexions et discussions sont à l'origine de ses « Écrits philosophiques », publiés en quatre volumes (dont deux à titre posthume en 1963 et en 1998), dans lesquels il aborde notamment la question du langage.

À la fin des années 1930, les recherches de Bohr s'orientent vers le noyau atomique. En 1943, il s'échappe du Danemark occupé vers les États-Unis et travaille au Laboratoire national de Los Alamos dans le cadre du projet Manhattan. Après la guerre, il rentre à Copenhague et milite pour une utilisation pacifique de l'énergie nucléaire, en particulier avec la création du Laboratoire national Risø (équivalent du Commissariat à l'Energie Atomique français) en 1956, ce qui lui vaut d'être lauréat de l'« Atoms for Peace Award » en 1957 (son fils Aage recevra également ce prix en 1969).

Niels Henrik David Bohr meurt à Copenhague le 18 novembre 1962. En son honneur, l'élément de numéro atomique 107est baptisé bohrium en 1997 et l'Union astronomique internationale nomme une vallée lunaire la « Vallis Bohr » en 1976.

## BIBLIOGRAPHIE ET NETOGRAPHIE

[1] Segrè E. « *Les physiciens modernes et leurs découvertes, des rayons X aux quarks* », Fayard, collection « Le temps des sciences », 1990.

[2] Bohr Niels. « On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I ». *Philosophical Magazine*, 1913, vol. **26**, p. 1-24.
[http://web.ihep.su/dserv/compas/src/bohr13/eng.pdf](http://web.ihep.su/dserv/compas/src/bohr13/eng.pdf)

[3] Bohr N. « On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II. Systems Containing Only a Single Nucleus ». *Philosophical Magazine*, 1913, vol. **26**, p. 476-502.

[http://web.ihep.su/dserv/compas/src/bohr13b/eng.pdf](http://web.ihep.su/dserv/compas/src/bohr13b/eng.pdf)

[4] Bohr N. « On the Constitution of Atoms and Molecules, Part III. Systems containing several nuclei ». *Philosophical Magazine*, 1913, vol. **26**, p. 857-875.

[5] Schilpp P.A. *Albert-Einstein Philosopher-Scientist*, Open Court Publishing Corporation, 3rd edition, June 1973, p. 46.

[6] Lurçat F. *Niels Bohr et la physique quantique*, Seuil, collection « Points Science », 2001.

[7] Bohr N. « Discussion avec Einstein sur les problèmes épistémologiques de la physique atomique » dans *Physique atomique et connaissance humaine*, Folio Essais, 1991, p. 247.

<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>Niels Bohr</figcaption></figure>
### Encadré

Johan Jakob Balmer (1825-1898), professeur de lycée suisse, passionné de théorie des nombres, avait remarqué une régularité frappante dans les fréquences des raies spectrales de l'hydrogène.

### Encadré

Le bohrium est un élément chimique, de symbole Bh et de numéro atomique 107. C'est un élément synthétique dont la demi-vie de l'isotope le plus stable $^{262}$Bh est inférieure à 102 millisecondes. Huit isotopes ont été identifiés, tous radioactifs, du $^{260}$Bh au $^{267}$Bh et l'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA) propose l'appellation « bohrium » en 1994 ; une polémique s'ensuit alors par crainte que ce nom puisse entraîner des confusions avec le nom anglais « boron » du bore (« nielsbohrium » est alors envisagé), mais bohrium est finalement adopté en 1997.
HEIKE KAMERLINGH ONNES, PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 1913

Le physicien hollandais Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) reçoit le prix Nobel en 1913 pour ses travaux sur les propriétés de la matière à basse température conduiront, entre autres, à la production de l'hélium liquide. Onnes débute ses études universitaires à Groningen aux Pays-Bas. Il étudie ensuite à l'Université de Heidelberg (Allemagne) de 1871 à 1873 sous la direction de Robert Wilhelm Bunsen et Gustav Kirchhoff. Il retourne ensuite à Groningen où il soutient en 1879 sa thèse de doctorat intitulée « Nouvelles preuves de la rotation de la terre » [1]. Onnes est l'élève de Johannes Diderik van der Waals (prix Nobel de physique en 1910 pour ses travaux sur l'équation d'état des gaz et des liquides).

De 1882 à 1923, Onnes est professeur de physique expérimentale à l'Université de Leyde. En 1904, il fonde un grand laboratoire de cryogénie et y attire d'autres chercheurs, ce qui contribue à sa reconnaissance par la communauté scientifique. Il est le premier à réussir à liquéfier de l'hélium le 10 juillet 1908 à l'aide de cryostats. En utilisant l'effet Joule-Thomson, il parvient à faire diminuer la température jusqu'à moins de 1 degré au-dessus du zéro absolu ; il atteint 0,9 K qui est la température la plus basse jamais atteinte alors [2,3].

A cette époque, certains scientifiques, comme William Thomson (Lord Kelvin), pensent qu'au sein d'un conducteur les électrons devraient être immobiles au zéro absolu, ce qui devrait correspondre à une résistivité électrique infinie. D'autres, dont Onnes, pensent que cette résistivité doit décroître progressivement jusqu'à zéro. En effet, Augustus Matthiessen a montré vers 1860 que la résistivité augmente généralement avec la température dans les métaux. Fidèle à sa devise « Door meten tot weten » (« par l'expérience, la connaissance »), Onnes entreprend de mesurer la résistance électrique du mercure refroidi par de l'hélium liquide.

Le 8 avril 1911, il mesure l'annulation de la résistivité électrique du mercure au-dessous d'une certaine température appelée température critique $T_c$, de l'ordre de 4,2 K. C'est la première observation d'un état supraconducteur [4] : Onnes écrit alors que « le mercure est passé dans un nouvel état, qui du fait de ses propriétés électriques extraordinaires pourrait être appelé état supraconducteur ». On raconte parfois qu'Onnes aurait demandé à son étudiant Gilles Holst de surveiller une expérience, et que ce dernier aurait laissé le dispositif expérimental s'emballer, conduisant à des températures extrêmement faibles. Le véritable découvreur de la supraconductivité serait donc Gilles Holst ! En réalité, le cahier d'expériences écrit de la main même de Kamerlingh Onnes et découvert récemment par le directeur du Boerhaave Museum de Leiden montre que Onnes était bel et bien aux commandes de l'expérience ce jour-là [5], Gilles Holst mesurant la résistance électrique avec un Pont de Wheatstone à 30 mètres de distance (la pièce où était refroidi le mercure subissait trop de vibrations à cause des pompes). La Société Française de Physique a célébré en 2011 les 100 ans de la découverte de la supraconductivité par une série d'articles [6].

En 1950, une théorie phénoménologique dite de Ginzburg-Landau est élaborée par Lev Landau et Vitali Ginzburg. Cette théorie permet d'expliquer les propriétés macroscopiques des supraconducteurs grâce à l'équation de Schrödinger. En particulier, Alexeï Abrikossov montre qu'avec cette théorie on peut prévoir l'existence de deux catégories de supraconducteurs. Abrikossov et Ginzburg se verront attribuer, avec Anthony Leggett, le prix Nobel 2003 pour leurs contributions pionnières à la théorie des supraconducteurs et des superfluides (Landau étant décédé en 1968).
En 1957, un chimiste Hollandais découvre le premier supraconducteur organique synthétique, le di-(tétraméthyl-tétrasélénofulvalène)-hexafluorophosphate. Une théorie complète de la supraconductivité sera proposée en 1957 par John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer. Connue sous le nom de théorie BCS, elle explique la supraconductivité par la formation de paires d'électrons (paires de Cooper) se comportant comme des bosons interagissant avec des phonons (modes de vibration du solide). Pour leur travail, les auteurs recevront le prix Nobel de physique en 1972. Le nom de Kamerlingh Onnes a été donné à un cratère lunaire.

## BIBLIOGRAPHIE ET NETOGRAPHIE

[1] Van Delft D. *Heike Kamerlingh Onnes*, Amsterdam: Bert Bakker, 2005.

[2] Kamerlingh Onnes H. « On the Cryogenic Laboratory at Leyden and on the Production of Very Low Temperature ». *Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden*, 1894, n° 14.

[3] Kamerlingh Onnes H. « On the Lowest Temperature Yet Obtained ». *Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden*, 1922, n° 159.

[4] de Bruyn Ouboter R. « Heike Kamerlingh Onnes's Discovery of Superconductivity ». *Scientific American*, March 1997, vol. 276, n° 3, p. 98-103.

[5] Van Delft D. and Kes P., « *The discovery of superconductivity* ». *Physics Today*, September 2010, p. 38-43.

[6] *Reflets de la physique* n° 27 (décembre 2011-janvier 2012) et N° 32 (janvier 2013).

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©Boerhaave Museum (Leiden)

Heike Kammerlingh Onnes
<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>@J. Bobroff</figcaption></figure>

Aimant en lévitation au-dessus d'un supraconducteur

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>©Boerhaave Museum (Leiden)</figcaption></figure>
## Encadré

John Bardeen est le seul physicien ayant reçu deux prix Nobel de physique, en 1956 avec William Shockley et Walter Houser Brattain pour leurs travaux sur les semi-conducteurs, et en 1972 pour la supraconductivité avec Leon Neil Cooper et John Robert Schrieffer.