Spin de l'électron

Le spin de l'électron est un moment angulaire intrinsèque porté par l'électron qui n'a pas d'équivalent classique ; il ne prend que deux valeurs le long de n'importe quel axe, est décrit par des spineurs à deux composantes et les matrices de Pauli, et confère à l'électron un moment magnétique.

Definition

Le spin de l'électron est le moment angulaire intrinsèque de l'électron, de nombre quantique un demi, représenté par des spineurs à deux composantes sur lesquels agissent les matrices de spin de Pauli, et associé à un moment magnétique intrinsèque.

Scope

Ce sujet couvre la découverte expérimentale du spin, l'algèbre du spin un demi et les matrices de spin de Pauli, les états de spineurs à deux composantes et leur comportement sous rotation, le moment magnétique de spin et le rapport gyromagnétique, la précession du spin dans un champ magnétique, et le rôle du spin dans l'expérience de Stern-Gerlach et la résonance magnétique.

Core questions

• Quelles preuves expérimentales ont établi que l'électron possède un spin intrinsèque ?
• Comment un état de spin un demi est-il représenté mathématiquement ?
• Pourquoi un état de spin un demi nécessite-t-il une rotation de deux tours complets pour revenir à lui-même ?
• Comment le spin confère-t-il un moment magnétique à l'électron et comment précesse-t-il ?

Key concepts

• spin un demi
• matrices de Pauli
• spineur
• moment magnétique
• expérience de Stern-Gerlach
• précession de Larmor

Key theories

Spin un demi et les matrices de Pauli

Une particule de spin un demi évolue dans un espace d'états bidimensionnel étendu par les états de spin haut et spin bas, les trois composantes du spin étant représentées par les matrices de Pauli ; la mesure le long de n'importe quel axe ne donne que deux résultats, une caractéristique du plus petit système quantique non trivial.

Moment magnétique de spin et précession

Le spin confère à l'électron un moment magnétique environ deux fois supérieur à l'attente classique ; ainsi, dans un champ magnétique, le spin précesse à la fréquence de Larmor, ce qui constitue la base de la déflexion de Stern-Gerlach et des techniques de résonance magnétique.

Clinical relevance

Le spin de l'électron et du noyau est à la base de technologies de mesure majeures : la résonance magnétique nucléaire et l'imagerie par résonance magnétique lisent les spins nucléaires en précession, la résonance de spin électronique sonde les électrons non appariés, et la spintronique ainsi que les qubits de spin utilisent le spin de l'électron pour stocker et traiter l'information.

History

L'expérience de Stern-Gerlach de 1922 a démontré la quantification spatiale ; Goudsmit et Uhlenbeck ont introduit le spin de l'électron en 1925 pour expliquer les doublets spectraux, et Pauli a élaboré le formalisme des spineurs à deux composantes en 1927, qui a ensuite reçu une fondation relativiste par Dirac.

Key figures

• Wolfgang Pauli
• Samuel Goudsmit
• George Uhlenbeck
• Otto Stern

Seminal works

• sakurai2017
• cohentannoudji2019

Frequently asked questions

L'électron tourne-t-il physiquement sur lui-même ?

Non ; le spin est une propriété quantique intrinsèque, et non une rotation littérale. Modéliser l'électron comme une bille en rotation conduit à une image incohérente ; le spin est donc mieux compris comme un degré de liberté fondamental obéissant à l'algèbre du moment angulaire avec une valeur demi-entière.

Pourquoi un spineur nécessite-t-il deux rotations complètes pour revenir à son état initial ?

Sous une rotation, un état de spin un demi acquiert un changement de signe après un seul tour complet et ne retrouve sa forme originale qu'après deux tours, ce qui reflète le fait que les spineurs se transforment sous le revêtement double du groupe de rotation plutôt que sous le groupe de rotation lui-même.