À la différence des planètes en orbite autour du Soleil, les électrons ne peuvent pas être à n’importe quelle distance arbitraire du noyau ; ils ne peuvent exister que dans certains emplacements spécifiques appelés orbites autorisées. Cette propriété, expliquée pour la première fois par le physicien danois Niels Bohr en 1913, est un autre résultat de la mécanique quantique – plus précisément, l’exigence que le moment angulaire d’un électron en orbite, comme tout le reste dans le monde quantique, se présente sous forme de paquets discrets appelés quanta.
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Dans l’atome de Bohr, les électrons ne peuvent se trouver que sur des orbites autorisées, et ces orbites autorisées sont à des énergies différentes. Les orbites sont analogues à un ensemble d’escaliers dans lequel l’énergie potentielle gravitationnelle est différente pour chaque marche et dans lequel une balle peut être trouvée sur n’importe quelle marche mais jamais entre les deux.
Les lois de la mécanique quantique décrivent le processus par lequel les électrons peuvent se déplacer d’une orbite autorisée, ou niveau d’énergie, à une autre. Comme pour de nombreux processus dans le monde quantique, ce processus est impossible à visualiser. Un électron disparaît de l’orbite dans laquelle il se trouve et réapparaît à son nouvel emplacement sans jamais apparaître à aucun endroit entre les deux. Ce processus est appelé saut quantique ou saut quantique, et il n’a aucun analogue dans le monde macroscopique.
Parce que les différentes orbites ont des énergies différentes, chaque fois qu’un saut quantique se produit, l’énergie possédée par l’électron sera différente après le saut. Par exemple, si un électron saute d’un niveau d’énergie supérieur à un niveau d’énergie inférieur, l’énergie perdue devra aller quelque part et sera en fait émise par l’atome dans un faisceau de rayonnement électromagnétique. Ce faisceau est connu sous le nom de photon, et cette émission de photons avec un changement de niveau d’énergie est le processus par lequel les atomes émettent de la lumière. Voir aussi laser.
De la même manière, si l’on ajoute de l’énergie à un atome, un électron peut utiliser cette énergie pour faire un saut quantique d’une orbite inférieure à une orbite supérieure. Cette énergie peut être fournie de plusieurs façons. L’une des plus courantes est l’absorption par l’atome d’un photon à la bonne fréquence. Par exemple, lorsqu’une lumière blanche est projetée sur un atome, celui-ci absorbe sélectivement les fréquences correspondant aux différences d’énergie entre les orbites autorisées.
Chaque élément possède un ensemble unique de niveaux d’énergie, et donc les fréquences auxquelles il absorbe et émet de la lumière agissent comme une sorte d’empreinte digitale, identifiant l’élément particulier. Cette propriété des atomes a donné naissance à la spectroscopie, une science consacrée à l’identification des atomes et des molécules par le type de rayonnement qu’ils émettent ou absorbent.
Cette image de l’atome, avec des électrons se déplaçant de haut en bas entre des orbites autorisées, accompagnés par l’absorption ou l’émission d’énergie, contient les caractéristiques essentielles du modèle atomique de Bohr, pour lequel Bohr a reçu le prix Nobel de physique en 1922. Son modèle de base ne permet toutefois pas d’expliquer les détails de la structure des atomes plus complexes que l’hydrogène. Cela nécessite l’introduction de la mécanique quantique. En mécanique quantique, chaque électron en orbite est représenté par une expression mathématique appelée fonction d’onde, un peu comme une corde de guitare vibrante disposée le long de la trajectoire de l’orbite de l’électron. Ces formes d’onde sont appelées orbitales. Voir également la mécanique quantique : La théorie de l’atome de Bohr.