Voyage vers l'infiniment petit
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Le spin

En 1922, Otto Stern et Walter Gerlach envoient des atomes d'argent à travers un dispositif pourvu d'un champ magnétique inhomogène. Ces atomes sont déviés par le champ magnétique, projetés sur un écran et à la grande surprise des physiciens, laissent deux petites tâches symétriques, alors qu'ils s'attendaient à obtenir une seule tâche allongée.

Expérience Stern-Gerlach : des atomes d'argent, pourvus d'un moment magnétique, traversent un champ magnétique inhomogène, ils sont déviés et laissent sur l'écran deux petites tâches symétriques. On s'attendait à ce que le moment magnétique prenne des valeurs continues et laisse donc sur l'écran une seule tâche allongée.

Otto Stern (1888-1969), physicien allemand, professeur à l'Université de Hambourg, à l'Institut de Technologie de Carnegie et à l'Université de Berkeley. Il utilise les faisceaux moléculaires pour mesurer les propriétés magnétiques des molécules et des protons et détermine ainsi les moments magnétiques de l'électron et du proton. Prix Nobel de physique en 1943.

Walter Gerlach (1889-1979), physicien allemand, professeur aux universités de Tübingen et Munich. Il effectue avec Otto Stern l'expérience qui porte leurs noms et qui montre que le moment magnétique de l'électron ne prend que des valeurs discrètes. Il apporte aussi une contribution à la physique du rayonnement, à la spectroscopie et à la physique quantique.

Pour expliquer ce résultat, Georg Uhlenbeck et Samuel Goudsmith proposent en 1925 une nouvelle hypothèse : les électrons sont pourvus de spin, sorte de mouvement de rotation autour de leur axe, et disposent donc d'un moment magnétique, comme l'aiguille d'une boussole. La projection du spin sur un axe ne prend pas de valeurs continues mais seulement deux valeurs qui sont multiples de la constante de Planck : +½ (spin up) et -½ (spin down). L'électron est alors une particule de spin ½.

Georg Uhlenbeck (1900-1988), physicien américain d'origine hollandaise, professeur aux universités d'Utrecht, Michigan et New York. Avec Goudsmith, il introduit le spin de l'électron pour expliquer les résultats des expériences de Stern et Gerlach. Il apporte une contribution à la physique atomique, à la physique nucléaire et à la mécanique quantique.

Samuel Goudsmith (1902-1978), physicien américain d'origine hollandaise, membre des MIT Radiation Laboratory et Brookhaven National Laboratories, professeur à l'Université de Reno. Avec son collègue Georg Uhlenbech, pendant leur doctorat à l'université de La Haye, il émet l'hypothèse du spin de l'électron. Pendant la Seconde guerre mondiale, il travaille sur les ondes radar au Radiation Laboratory du MIT et est le chef d'une mission secrète d'évaluation du progrès allemand dans la construction de la bombe atomique.

Spin de l'électron. Pour expliquer les résultats de l'expérience de Stern-Gerlach, Uhlenbeck et Goudsmith émettent l'hypothèse que l'électron est pourvu de spin, qu'ils interprètent comme un mouvement de rotation de l'électron autour de son axe, et dont la projection sur un axe ne peut prendre que deux valeurs, toutes deux multiples de la constante de Planck : +½ et –½. En réalité, le spin n'est pas lié à une rotation de la particule autour de son axe, c'est une propriété intrinsèque des particules.

Le neutron et le proton sont eux aussi pourvus de spin, dont la projection sur un axe a pour valeur soit +½ soit –½ (en unités de constante de Planck).

La mécanique quantique a été appliquée avec succès pour déterminer les niveaux d'énergie des atomes et comprendre la structure du tableau des éléments chimiques de Mendeleïev. Comme tout système physique, l'atome cherche l'état d'énergie le plus bas. Pourquoi les électrons situés sur les niveaux énergétiques supérieurs ne tombent-ils donc pas sur le premier niveau, celui qui a l'énergie la plus basse ? La réponse est donnée par le principe d'exclusion, postulé en 1924 par Wolfgang Pauli sur des bases empiriques, avant la formulation mathématique de la mécanique quantique : deux électrons ne peuvent pas occuper le même état.

Pour expliquer des faits nouveaux, les physiciens recherchent des théories nouvelles, mais celles-ci doivent inclure les anciennes théories qui en constituent des cas particuliers. Ainsi, physique quantique et physique classique ne sont pas opposées : les lois quantiques englobent les lois classiques. Le monde est quantique mais pour les corps de grande taille (grands par rapport à la constante de Planck), les lois quantiques se réduisent aux lois classiques : par exemple, pour construire un pont ou lancer un satellite, les lois de la mécanique newtonienne sont suffisantes. De même, pour calculer la propagation des ondes électromagnétiques des systèmes de télécommunication, les équations de Maxwell de l'électromagnétisme classique suffisent. En revanche, la mécanique quantique est incontournable pour comprendre la structure de l'atome, du noyau atomique, les particules élémentaires, l'énergie des étoiles, la matière condensée à basse température (superfluidité, supraconductivité) ou pour construire des lasers, des composants électroniques ou des réacteurs nucléaires.