Quel est le nombre quantique de spin ?

Le nombre quantique de spin est le quatrième nombre quantique et indique l’orientation du moment cinétique intrinsèque d’une particule élémentaire (comme un électron ou un quark), d’une particule composite (comme les neutrons et les protons) ou d’un noyau atomique entier . En tant que tel, c’est un nombre qui représente, avec les trois autres nombres quantiques, un état quantique particulier d’une particule subatomique.

Ce nombre quantique a été découvert au cours du premier quart du XXe siècle, après l’obtention de mesures beaucoup plus précises des spectres des raies d’émission atomique. Une inspection plus approfondie de ces lignes d’émission a montré qu’il ne s’agissait pas de lignes individuelles mais de multiples de lignes. Cela ne pourrait s’expliquer qu’en attribuant aux électrons un quatrième nombre quantique de moment cinétique qui pourrait être interprété comme le sens de rotation de l’électron autour de son propre axe , similaire à la façon dont une toupie (toupie) ou la terre tourne autour du vôtre . En fait, c’est la raison pour laquelle on l’appelle spin, puisque ledit mot vient du mot anglais spin qui signifie tourner.

Comme l’électron a une charge électrique, cette rotation génère un petit champ magnétique dirigé le long de l’axe de rotation. L’électron ne peut avoir que deux spins opposés (+1/2 et -1/2) de sorte qu’il peut générer l’un des deux champs magnétiques possibles pointant dans des directions opposées. Ce champ magnétique est responsable du dédoublement des raies d’émission.

Quels sont les autres nombres quantiques ?

Avant la découverte du spin, seuls 3 nombres quantiques étaient connus, qui découlent de la solution mathématique de l’équation de Schrödinger. Ceux-ci sont:

• Nombre quantique principal ou niveau d’énergie (n) . Ce nombre quantique est associé à la proximité d’un électron avec le noyau. Plus il est petit, plus il sera proche du centre.
• Nombre quantique secondaire ou moment cinétique ( l ). Ce nombre quantique est associé à la forme de l’orbite occupée par un électron.
• Nombre quantique magnétique (m _l ) . Associé à l’orientation dans l’espace des orbitales atomiques.

Pris ensemble, chaque combinaison de ces trois nombres quantiques définit une orbitale atomique unique pour un électron, tandis que le spin identifie un électron particulier.

Différentes valeurs de spin pour différents types de particules

Le spin est une propriété intrinsèque des particules élémentaires, tout comme la charge électrique. De plus, comme la charge électrique, les particules ne peuvent avoir que certaines valeurs de spin de signes opposés. En fait, le spin permet de distinguer deux classes différentes de particules dans la nature, selon les valeurs de spin possibles qu’elles peuvent avoir, qui sont les fermions et les bosons. Cette classification des particules provient du modèle actuel de la matière, appelé modèle standard.

Les Fermions

Les fermions sont les particules qui font partie de ce que nous appelons la matière : tout ce qui a une masse et occupe une place dans l’espace. Cette famille de particules comprend les quarks et les leptons (y compris les électrons), qui se caractérisent par le respect du principe d’exclusion de Pauli et par des spins de +1/2 ou -1/2 (ce qui est généralement représenté par ↑ et ↓ ou spin up et tourner vers le bas).

Lorsque ces particules élémentaires se rejoignent pour former des particules composites (hadrons), différents nombres de spin tels que 3/2 et -3/2 peuvent être obtenus.

Les bosons

La famille des bosons est constituée de particules qui ne suivent pas le principe d’exclusion de Pauli et se caractérisent par un spin de 1. On pense que des bosons élémentaires peuvent exister avec d’autres valeurs de spin telles que 0, 2, 3, etc. On pense que ces particules sont responsables de l’existence de toutes les forces connues (force électromagnétique, force gravitationnelle, force nucléaire forte et force nucléaire faible).

Propriétés du nombre quantique de spin

• Il est représenté par le symbole m _s ou par s.
• Étant un nombre quantique, sa valeur est quantifiée, ce qui signifie qu’il ne peut acquérir que certaines valeurs multiples d’une quantité minimale (le quantum). Comme expliqué tout à l’heure, le spin ne peut prendre que des valeurs de +1/2 et -1/2 pour les fermions, et 1 pour les bosons (bien qu’il puisse y avoir d’autres bosons avec des spins différents).
• Le spin ne peut prendre que des valeurs multiples entières de ħ/2, où ħ est la constante de Plank réduite (h/2π).
• Si vous mesurez le spin d’un électron le long d’un champ magnétique, vous n’obtiendrez que des valeurs de ħ/2 ou – ħ/2.