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Physique quantique : Fondements
Le facteur gyromagnétique γ, c’est-à-dire le rapport du moment magnétique
µ au moment angulaire j défini par (3.30) vaut q/(2m).L em o u v e m e n td e s
électrons dans les atomes entraîne l’existence d’un magnétisme atomique et
le mouvement des protons dans les noyaux atomiques celle d’un magnétisme
nucléaire. Cependant, le mouvement des charges ne peut expliquer quantitativement ni le magnétisme atomique, ni le magnétisme nucléaire. Il faut tenir
compte d’un magnétisme intrinsèque aux particules. L’expérience montre que
les particules élémentaires − de spin non nul − portent un moment magnétique associé à un moment angulaire intrinsèque, appelé spin de la particule,
que nous noterons s. On peut essayer de se représenter de façon intuitive ce
moment angulaire comme provenant d’une rotation de la particule sur ellemême. Cette image intuitive peut être utile, mais il ne faut pas la prendre
très au sérieux : prise à la lettre, elle conduit à des contradictions insurmontables, et seule la mécanique quantique permet une description correcte du
spin. L’expérience montre que l’électron, le proton et le neutron ont un spin
1
2 . On omet souvent le facteur , et on dit simplement que l’électron, le proton et le neutron sont des particules de spin 1/2. Le facteur gyromagnétique
associé au spin est différent de (3.30). Il vaut par exemple pour l’électron
8 et
le proton
´ electron : γ e =2
q e
2m e
proton : γ p =5.59
q p
2m p
où (q e ,q p = −q e ) et (m e ,m p ) sont les charges et les masses de l’électron et
du proton ; le facteur 2 pour l’électron est justifié au § 7.4.2. Mieux, bien
que de charge nulle, le neutron possède un moment magnétique ! Son facteur
gyromagnétique est donné par
γ n = −3.83
q p
2m p
Le magnétisme des atomes est dû à la combinaison du mouvement des électrons (magnétisme orbital) et du magnétisme associé au spin des électrons.
Le magnétisme des noyaux atomiques e s td ûa um o u v e m e n td e sp r o t o n se t
au magnétisme associé aux spins des neutrons et des protons. L’équation
(3.30) montre que le facteur gyromagnétique est inversement proportionnel à
la masse : le magnétisme d’origine nucléaire est plus faible que le magnétisme
d’origine électronique par un facteur ∼ m e /m p ∼ 1/1000. Malgré ce facteur
défavorable, le magnétisme nucléaire joue un rôle pratique considérable en
étant à la base de la résonance magnétique nucléaire (RMN : section 5.2) et
de ses dérivés comme l’imagerie par résonance magnétique (IRM).
Examinons en physique classique le mouvement d’un moment magnétique
µ dans un champ magnétique constant
B. Ce moment magnétique est soumis
8. À des corrections près de l’ordre de 0.1 % : ces corrections sont calculables grâce à
l’électrodynamique quantique.
Physique quantique : Fondements
Le facteur gyromagnétique γ, c’est-à-dire le rapport du moment magnétique
µ au moment angulaire j défini par (3.30) vaut q/(2m).L em o u v e m e n td e s
électrons dans les atomes entraîne l’existence d’un magnétisme atomique et
le mouvement des protons dans les noyaux atomiques celle d’un magnétisme
nucléaire. Cependant, le mouvement des charges ne peut expliquer quantitativement ni le magnétisme atomique, ni le magnétisme nucléaire. Il faut tenir
compte d’un magnétisme intrinsèque aux particules. L’expérience montre que
les particules élémentaires − de spin non nul − portent un moment magnétique associé à un moment angulaire intrinsèque, appelé spin de la particule,
que nous noterons s. On peut essayer de se représenter de façon intuitive ce
moment angulaire comme provenant d’une rotation de la particule sur ellemême. Cette image intuitive peut être utile, mais il ne faut pas la prendre
très au sérieux : prise à la lettre, elle conduit à des contradictions insurmontables, et seule la mécanique quantique permet une description correcte du
spin. L’expérience montre que l’électron, le proton et le neutron ont un spin
1
2 . On omet souvent le facteur , et on dit simplement que l’électron, le proton et le neutron sont des particules de spin 1/2. Le facteur gyromagnétique
associé au spin est différent de (3.30). Il vaut par exemple pour l’électron
8 et
le proton
´ electron : γ e =2
q e
2m e
proton : γ p =5.59
q p
2m p
où (q e ,q p = −q e ) et (m e ,m p ) sont les charges et les masses de l’électron et
du proton ; le facteur 2 pour l’électron est justifié au § 7.4.2. Mieux, bien
que de charge nulle, le neutron possède un moment magnétique ! Son facteur
gyromagnétique est donné par
γ n = −3.83
q p
2m p
Le magnétisme des atomes est dû à la combinaison du mouvement des électrons (magnétisme orbital) et du magnétisme associé au spin des électrons.
Le magnétisme des noyaux atomiques e s td ûa um o u v e m e n td e sp r o t o n se t
au magnétisme associé aux spins des neutrons et des protons. L’équation
(3.30) montre que le facteur gyromagnétique est inversement proportionnel à
la masse : le magnétisme d’origine nucléaire est plus faible que le magnétisme
d’origine électronique par un facteur ∼ m e /m p ∼ 1/1000. Malgré ce facteur
défavorable, le magnétisme nucléaire joue un rôle pratique considérable en
étant à la base de la résonance magnétique nucléaire (RMN : section 5.2) et
de ses dérivés comme l’imagerie par résonance magnétique (IRM).
Examinons en physique classique le mouvement d’un moment magnétique
µ dans un champ magnétique constant
B. Ce moment magnétique est soumis
8. À des corrections près de l’ordre de 0.1 % : ces corrections sont calculables grâce à
l’électrodynamique quantique.