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16 • Noyau atomique et structure hyperfine des niveaux électroniques
un atome neutre. Les noyaux sont symbolisés sous la forme :
A
Z M
(16.1.1)
où M est le symbole de l’élément. Par exemple, le noyau de carbone 14 est noté :
14
6 C.
a) Proton
Par généralisation de la notation ci-dessus, le proton se note
1
1 p. Le rapport de la
masse m p du proton à celle de l’électron est égal à :
m p
m e
= 1 836,152 7
(16.1.2)
En 1932, Esterman, Frisch et Stern ont mis en évidence le moment cinétique et le
moment magnétique du proton en étudiant les deux formes de la molécule d’hydrogène : l’orthohydrogène dans lequel les moments nucléaires des deux protons s’additionnent et le parahydrogène pour lequel ces moments se compensent. La comparaison des résultats obtenus avec ces deux formes d’hydrogène ont permis de montrer
que le proton possède un moment cinétique
− →
L p , appelé spin du proton, de nombre
quantique 1/2.
L’observable de spin correspondant à
− →
L p est notée I et suit les règles générales de
quantification des moments cinétiques :
I =
1
2
1
2
+ 1
; I z = ±
2
(16.1.3)
Le proton possède un moment magnétique
− →
M p de même support et de même sens
que
− →
L p . Au spin I du proton est associé son moment magnétique M I dont le rapport
gyromagnétique est différent de celui de l’électron :
M I =
g p m N
I
(16.1.4)
expression où l’on introduit le magnéton nucléaire :
m N =
e 0
2m p
= 5,050 78 × 10
−27 J T
−1
(16.1.5)
et où le facteur g p vaut pour le proton g p = 5, 586. Remarquons que le terme de
moment magnétique du proton m p est couramment employé pour désigner le module
de sa composante sur un axe et non pas le vecteur
− →
M p ; avec cette définition, on a :
m p = |
− →
M p | z = 2,792 8m N = 1,410 60 × 10
−26 J T
−1
(16.1.6)
Le magnétisme nucléaire est très inférieur au magnétisme électronique, puisqu’on a :
m e /m p = 658,21. Les interactions magnétiques du spin I du proton avec les électrons
seront donc très faibles.
16 • Noyau atomique et structure hyperfine des niveaux électroniques
un atome neutre. Les noyaux sont symbolisés sous la forme :
A
Z M
(16.1.1)
où M est le symbole de l’élément. Par exemple, le noyau de carbone 14 est noté :
14
6 C.
a) Proton
Par généralisation de la notation ci-dessus, le proton se note
1
1 p. Le rapport de la
masse m p du proton à celle de l’électron est égal à :
m p
m e
= 1 836,152 7
(16.1.2)
En 1932, Esterman, Frisch et Stern ont mis en évidence le moment cinétique et le
moment magnétique du proton en étudiant les deux formes de la molécule d’hydrogène : l’orthohydrogène dans lequel les moments nucléaires des deux protons s’additionnent et le parahydrogène pour lequel ces moments se compensent. La comparaison des résultats obtenus avec ces deux formes d’hydrogène ont permis de montrer
que le proton possède un moment cinétique
− →
L p , appelé spin du proton, de nombre
quantique 1/2.
L’observable de spin correspondant à
− →
L p est notée I et suit les règles générales de
quantification des moments cinétiques :
I =
1
2
1
2
+ 1
; I z = ±
2
(16.1.3)
Le proton possède un moment magnétique
− →
M p de même support et de même sens
que
− →
L p . Au spin I du proton est associé son moment magnétique M I dont le rapport
gyromagnétique est différent de celui de l’électron :
M I =
g p m N
I
(16.1.4)
expression où l’on introduit le magnéton nucléaire :
m N =
e 0
2m p
= 5,050 78 × 10
−27 J T
−1
(16.1.5)
et où le facteur g p vaut pour le proton g p = 5, 586. Remarquons que le terme de
moment magnétique du proton m p est couramment employé pour désigner le module
de sa composante sur un axe et non pas le vecteur
− →
M p ; avec cette définition, on a :
m p = |
− →
M p | z = 2,792 8m N = 1,410 60 × 10
−26 J T
−1
(16.1.6)
Le magnétisme nucléaire est très inférieur au magnétisme électronique, puisqu’on a :
m e /m p = 658,21. Les interactions magnétiques du spin I du proton avec les électrons
seront donc très faibles.