Tout le monde le sait aujourd’hui, la matière ordinaire est faite d’atomes, souvent intimement liés entre eux pour constituer des molécules. Les atomes sont extrêmement petits : leur taille est de l’ordre de l’angström, soit 10^–10 mètre, c’est-à-dire le dix milliardième de mètre. Ils sont constitués d’un noyau, de charge électrique positive, entouré d’un nuage d’électrons, ayant chacun une charge électrique négative (–q = –1,6 x 10^–19 coulomb). Le noyau, minuscule, est formé de protons, chacun de charge +q, et de neutrons, de charge nulle. Pour l’atome neutre, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons.

L’atome le plus simple est celui d’hydrogène, constitué d’un proton et d’un électron. Les lois de la physique quantique permettent de déterminer avec précision l’énergie de cet atome, qui est la somme de l’énergie cinétique de l’électron (le proton, beaucoup plus massif, est immobile en première approximation) et de l’énergie potentielle électrostatique liant l’électron au proton. Il s’avère que les valeurs possibles de l’énergie forment un ensemble discret, et peuvent être repérées par un entier positif.

E_n = – E_I/n² où E_I = 13,6 électronvolts (1 électronvolt (eV) = 1,6 x 10^–19 joule).

Il n’est pas possible d’attribuer aux électrons des atomes une orbite bien déterminée. La mécanique quantique ne donne accès qu’à des probabilités, par exemple la probabilité pour un électron d’être présent à tel ou tel endroit et à tel ou tel instant. D’où l’image d’un « nuage électronique » flou.

Cependant, lorsque l’électron de l’atome d’hydrogène est dans le niveau d’énergie n, on démontre que sa distance moyenne au proton vaut a_n = a₀n² où a₀ 0,5 Å = 0,5 x 10^–10 m. Plus n est grand, plus l’électron est loin en moyenne du noyau atomique. Pour n infini, l’électron n’est plus lié au proton, son énergie est nulle : l’atome est ionisé.

E_I = –E₁ est donc l’énergie d’ionisation, c’est-à-dire l’énergie minimale qu’il faut fournir à l’électron situé initialement dans le niveau fondamental (n = 1) pour qu’il ne soit plus lié à l’atome.

Quid des atomes ayant plusieurs électrons ? Comme pour l’atome d’hydrogène, leur énergie électronique est « quantifiée », elle ne peut prendre que certaines valeurs. La structure résultante des niveaux d’énergie est complexe. L’essentiel à retenir est que les électrons se répartissent sur des niveaux d’énergie étiquetés par n et d’autres « nombres quantiques », remplissant ainsi des « couches » capables d’accueillir chacune au maximum un nombre bien déterminé d’électrons.