Niveaux d'énergie des électrons atomiques
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L’électron qui tourne autour d’un noyau ne jouit pas de cette liberté. La nature lui impose un choix limité d’énergies, de la même façon que l’industrie impose aux mécaniciens une série de tailles de boulons : l’électron ne peut pas avoir n’importe quelle énergie. L’émission ou l’absorption de photons jouent le rôle des fusées d’appoint, en faisant sauter l’électron d’une « trajectoire » à une autre. Mais cette dernière ne peut qu'appartenir à une suite de trajectoires prédéfinies.
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L’échelle microscopique est régie par la mécanique quantique. Il est préférable de parler de l’état d’un électron plutôt que de sa « trajectoire » : cet état est caractérisé par son énergie et la manière dont il occupe l’espace. Autour d’un noyau, le nombre d’états que peut occuper un électron est limité. On regroupe les différents états de même énergie sous le nom de « couches ». Les électrons d’un atome appartiennent à diverses couches caractérisées par une énergie. Ces couches sont appelés K, L, M, N... par les atomistes.
La couche K qui correspond à l’attraction la plus forte par le noyau est la première à se remplir. Deux électrons au maximum peuvent occuper cette couche. Un troisième électron n'y trouverait pas de place. Il doit se placer sur la couche suivante, la couche L, où il sera moins lié au noyau que les électrons de la couche K.
Les énergies de liaison des électrons sur les couches suivantes sont de plus en plus faibles. Quand une place devient disponible sur une couche, un électron situé sur une couche plus externe comble ce vide en sautant pour occuper la place laissée libre et être ainsi plus lié au noyau. Cette transition est accompagnée par l'émission d'un grain d'énergie « électromagnétique » qui hérite de la différence d'énergie de liaison entre les deux couches. Ces minuscules ondes électromagnétiques sont des photons dont certains – les photons lumineux - sont capables d'impressionner la rétine de l'œil.
L'énergie du photon est un saut entre deux couches, car les énergies des couches sont des données caractéristiques de l’atome. La longueur d’onde de ce photon (c’est-à-dire sa couleur) étant reliée à son énergie, cette longueur d'onde est aussi unique. Les photons émis par un atome ont des énergies ou couleurs qui lui sont propres.
La lumière émise est caractéristique de l'atome et du saut dans l'atome. Quand on analyse cette lumière par un prisme en fonction de la longueur d'onde, on observe une suite de raies, dont chacune correspond à un saut entre couches. Ces raies constituent une empreinte extraordinaire. Elles permettent d'identifier la présence d'hydrogène ou d'autres atomes, dans des planètes ou des étoiles situées à des années lumières
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