Le spin des électrons

Beaucoup de particules élémentaires possèdent un spin. Si l'on peut facilement se représenter la masse ou la charge comme des propriétés des particules élémentaires, c'est plus difficile pour le spin. Un électron, par exemple, a une masse de 9,1•10^-31 kg et une charge de -1,6•10^-19 C. Le spin est souvent exprimé seulement en tant que nombre quantique et, pour les électrons, il est de +1/2 (spin "up") ou de -1/2 (spin "down") selon l'orientation. Selon la théorie quantique, le spin est une propriété similaire au moment angulaire. En mécanique, le moment angulaire est par exemple provoqué par un mouvement circulaire. Contrairement à un simple mouvement circulaire, le spin est toutefois une propriété qui est en principe inchangeable. On peut certes modifier la direction du spin, mais pas le diminuer ou l'augmenter.

Observation du spin des électrons par l'expérience de Stern et Gerlach

Le spin a été observé expérimentalement par l'expérience de Stern et Gerlach. Pour cela, des atomes d'argent ont été envoyés à travers un puissant champ magnétique hétérogène.

Bien que l'on ait supposé, avant l'expérience de Stern et Gerlach, que les atomes d'argent ne possèdent pas de moment magnétique, on a observé que les atomes d'argent étaient déviés dans le champ magnétique, donc qu'une force magnétique agissait sur les atomes d'argent. Dans l'expérience de Stern et Gerlach, la moitié des atomes est déviée dans une certaine direction, l'autre moitié des atomes est déviée exactement dans la direction opposée.

L'expérience de Stern et Gerlach a donc permis de démontrer que les atomes possèdent bien un moment magnétique sur lequel agit une force dans un champ magnétique hétérogène. Ce moment magnétique doit toujours posséder deux directions de réglage possibles. Les physiciens ont donc demandé une propriété des électrons qui explique l'effet de force magnétique observé. Cette propriété a alors été appelée spin des électrons. Avant l'expérience de Stern et Gerlach, le spin des électrons n'était pas connu, car il n'y avait aucune raison d'exiger une telle propriété de spin des électrons supplémentaire. Seule l'expérience de Stern et Gerlach a montré qu'il devait encore exister une telle propriété jusqu'alors inconnue. Le spin des électrons a donc été découvert en raison de son moment magnétique, puis intégré dans la théorie quantique pour décrire les électrons. Il ne peut posséder, comme on l'a exigé, que deux directions de positionnement, à savoir le spin "up" ou le spin "down".

Le spin d'une particule a des conséquences importantes sur le mouvement et la localisation de la particule. Ainsi, selon le principe de Pauli, il ne faut pas que deux électrons dans un atome soient identiques dans toutes leurs propriétés. Lors de la construction du système périodique, on avait déjà constaté que dans un état ayant la même énergie et le même moment cinétique, il peut toujours y avoir exactement 2 électrons dans un atome. Ces 2 électrons doivent cependant se distinguer par leur spin. Les deux électrons ont des spins orientés de manière opposée. Les moments magnétiques de ces spins se compensent alors mutuellement. Les électrons sont "appariés". Si les atomes ne possèdent que de tels électrons appariés, le spin total des atomes, qui est principalement déterminé par le spin des électrons, est approximativement nul. Les atomes ne possèdent alors pas de spin total résultant qui pourrait s'orienter dans un champ magnétique extérieur et se comportent de manière diamagnétique.

Les atomes d'argent de l'expérience de Stern et Gerlach possèdent cependant un électron dit non apparié. Le spin total qui en résulte correspond à peu près au spin de cet électron. Dans le cas de l'oxygène, par exemple, il y a même deux électrons non appariés qui peuvent s'aligner dans le champ magnétique. Dans les deux cas, on parle d' aimants paramagnétiques . Les aimants paramagnétiques alignent leurs spins dans un champ magnétique extérieur et sont donc attirés.

Dans certains matériaux, une interaction forte, appelée interaction d'échange, se produit entre les spins électroniques alignés. L'interaction d'échange se produit également grâce au principe de Pauli. Si elle est supérieure à l'énergie thermique des électrons, le matériau se comporte dans un champ magnétique extérieur de manière ferromagnétique. Après la désactivation du champ magnétique externe, les spins des électrons restent alors alignés ce qui peut être mesuré comme rémanence, c'est-à-dire comme une magnétisation résiduelle.

On sait aujourd'hui que les protons et les neutrons portent également un spin, dont l'effet magnétique est cependant mille fois plus petit que celui des électrons. Le spin des protons et des neutrons est formé par le spin des particules élémentaires, c'est-à-dire des quarks, qui composent les protons et les neutrons.

Selon le modèle des particules élémentaires, toutes les particules élémentaires possèdent des spins de différentes tailles. Le spin peut en principe être démontré par son moment magnétique. Selon les équations de Maxwell, les lois de l'électricité et du magnétisme, un moment magnétique est toujours créé par un courant, donc par un mouvement d'électrons.

Représentation du spin de l'électron : Une réponse insatisfaisante à ce jour

Jusqu'à aujourd'hui, il n'est pas possible de répondre de manière satisfaisante à la question de savoir ce qu'est réellement le spin de l'électron. Autrefois, on se représentait le spin comme la rotation de particules élémentaires sphériques autour de leur propre axe.

Il est toutefois contradictoire de s'imaginer le spin des électrons comme une rotation autour de leur propre axe. En effet, les électrons ne sont pas de simples billes chargées, comme on le pensait auparavant. Les électrons possèdent plutôt certaines propriétés d'ondes d'une certaine longueur d'onde et certaines propriétés de billes, comme le fait que l'on puisse " extraire" des électrons d'un atome de manière ciblée.

D'un point de vue physique, on a suffisamment pris position sur le problème du spin des électrons lorsqu'on identifie le spin des électrons au moment magnétique mesurable ou lorsqu'on se réfère aux degrés de liberté du spin dans les théories mathématiques modernes.