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10 • Spin
10.3 SPIN DES PARTICULES QUANTIQUES
10.3.1 Valeurs expérimentales du spin des particules
a) Spin des systèmes de particules
Lorsque des atomes ont des électrons qui se trouvent dans des états de spin différents, on peut penser que le moment magnétique total de spin de l’atome résultera
de la somme des moments magnétiques des électrons. Ces moments magnétiques ne
pouvant avoir que des « orientations » positives ou négatives, certains atomes auront
un moment magnétique nul et il n’apparaîtra aucune déviation dans l’appareil de
Stern et Gerlach. C’est précisément le cas pour l’étain et le plomb, dont le moment
magnétique est nul.
Par contre, divers éléments atomiques donnent des déviations qui scindent le jet
initial d’atomes en (2j+1) faisceaux distincts produisant autant de taches sur la plaque
P de l’appareil de Stern et Gerlach, j étant un nombre entier ou demi-entier. On est
ainsi amené à considérer que certains atomes possèdent un moment cinétique propre
dont la composante S z prend les différentes valeurs allant de j à − j, soit en tout
(2j + 1) valeurs.
On recense actuellement des particules de spin 0, 1/2, 1, 3/2, ..., jusqu’à des valeurs
relativement élevées comme 11/2.
b) Spin des particules matérielles
La plupart des particules matérielles : électrons, protons, neutrons, muons, etc., sont
des particules de spin 1/2.
Le moment magnétique du proton est cependant bien inférieur à celui de l’électron
puisqu’il vaut : m p = 1,410 607 × 10
−26 J T
−1 .
Bien qu’étant électriquement neutre, le neutron possède un moment magnétique
de l’ordre de grandeur de celui du proton : m n = 0,966 237×10
−26 J T
−1 . Cela trouve
son explication dans le cadre de la théorie des quarks qui sont des particules portant
des charges fractionnaires ; chaque proton ainsi que chaque neutron est constitué de
trois quarks dont deux sont différents. Dans le cas du neutron, la charge totale des
trois quarks est nulle mais leur moment magnétique résultant ne l’est pas.
Des particules élémentaires comme les mésons p et K, par exemple, ont des spins
nuls. Le photon a un spin égal à l’unité.
10.3.2 Espace des états de spin
Généralisons à un système de n particules de spin 1/2 les hypothèses et la modélisation faites pour un électron afin de déterminer l’expression du spineur de ce système.
Considérons d’abord un ensemble constitué de deux particules.
10 • Spin
10.3 SPIN DES PARTICULES QUANTIQUES
10.3.1 Valeurs expérimentales du spin des particules
a) Spin des systèmes de particules
Lorsque des atomes ont des électrons qui se trouvent dans des états de spin différents, on peut penser que le moment magnétique total de spin de l’atome résultera
de la somme des moments magnétiques des électrons. Ces moments magnétiques ne
pouvant avoir que des « orientations » positives ou négatives, certains atomes auront
un moment magnétique nul et il n’apparaîtra aucune déviation dans l’appareil de
Stern et Gerlach. C’est précisément le cas pour l’étain et le plomb, dont le moment
magnétique est nul.
Par contre, divers éléments atomiques donnent des déviations qui scindent le jet
initial d’atomes en (2j+1) faisceaux distincts produisant autant de taches sur la plaque
P de l’appareil de Stern et Gerlach, j étant un nombre entier ou demi-entier. On est
ainsi amené à considérer que certains atomes possèdent un moment cinétique propre
dont la composante S z prend les différentes valeurs allant de j à − j, soit en tout
(2j + 1) valeurs.
On recense actuellement des particules de spin 0, 1/2, 1, 3/2, ..., jusqu’à des valeurs
relativement élevées comme 11/2.
b) Spin des particules matérielles
La plupart des particules matérielles : électrons, protons, neutrons, muons, etc., sont
des particules de spin 1/2.
Le moment magnétique du proton est cependant bien inférieur à celui de l’électron
puisqu’il vaut : m p = 1,410 607 × 10
−26 J T
−1 .
Bien qu’étant électriquement neutre, le neutron possède un moment magnétique
de l’ordre de grandeur de celui du proton : m n = 0,966 237×10
−26 J T
−1 . Cela trouve
son explication dans le cadre de la théorie des quarks qui sont des particules portant
des charges fractionnaires ; chaque proton ainsi que chaque neutron est constitué de
trois quarks dont deux sont différents. Dans le cas du neutron, la charge totale des
trois quarks est nulle mais leur moment magnétique résultant ne l’est pas.
Des particules élémentaires comme les mésons p et K, par exemple, ont des spins
nuls. Le photon a un spin égal à l’unité.
10.3.2 Espace des états de spin
Généralisons à un système de n particules de spin 1/2 les hypothèses et la modélisation faites pour un électron afin de déterminer l’expression du spineur de ce système.
Considérons d’abord un ensemble constitué de deux particules.