Promenades dans le Monde Quantique

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6e Promenade: Le spin

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L'accueil

Formidable! Te voilà au rendez-vous, lecteur! Notre dernière promenade ne t'a donc pas découragé? Toute la semaine j'étais inquiet, me reprochant la sévérité de mon précédent exposé. Je m'attendais donc à ne plus te revoir... J'admire le motif qui t'a poussé à venir. Curiosité? Courage? Indulgence? Un peu de tout ça probablement.

Tandis que je cause, l'heure passe. Allons, pressons le pas jusqu'au débarcadère. L'horaire n'attend pas. [..]

... [ L'auteur invite le lecteur à une traversée du lac en bateau. ] ...

[ ... ] Enjambons la passerelle qui mène au bateau. Nous voici à bord! Bienvenue à toi, cher lecteur, sur l'un de ces charmants navires aux lignes élégantes et au confort suranné, qui peuplent notre lac depuis toujours, me semble-t-il, comme les canards et les cygnes!

Le navire

La traversée du lac dure une demi-heure, de quoi échanger quelques propos.

La semaine passée je t'ai parlé du moment cinétique des atomes et des curieux résultats donnés par les mesures. Cependant je t'ai caché quelque chose. ... [ Justification de cette omission par des arguments pédagogiques. ] ...

Découverte du spin

Voilà ce que je t'ai caché. La mesure du moment cinétique de certains atomes ne donne pas tout à fait ce que je t'ai indiqué, mais plutôt ceci: on observe un nombre pair de taches alignées régulièrement, placées symétriquement par rapport à l'horizontale.

En quoi ce détail, (pair et non impair) se distingue-t-il? Par le fait qu'il exclu l'existence d'une tache sur l'horizontale. En effet, un nombre pair de taches alignées et équidistantes empêche que l'une d'elles soit au milieu. Par conséquent tous les atomes ont été déviés. Même ceux dont le moment cinétique est horizontal. Même ceux dont le moment cinétique est nul. Tous subissent une déviation forcée. L'atome se comporte comme s'il possédait déjà, de lui-même, un moment cinétique, même sans tourner! C'est ce que les physiciens appellent:
100le moment cinétique au repos, ou
100le moment cinétique intrinsèque, ou
100le spin
(prononcer à l'anglaise, comme "spinne").

La résultante

Il est maintenant nécessaire de corriger la loi de la semaine passée. Ce qui ne change pas au cours du temps, ce n'est plus le moment cinétique L, mais la résultante de L et du spin.

... [ Le navire se met lentement en mouvement, puis prend le large. En cours de route il croise un autre bâtiment, ce qui permet d'observer la superposition des trains de vagues qu'ils abandonnent derrière eux. Une discussion s'en suit sur l'impossibilité d'identifier les vagues de chaque bateau au moment de leur superposition. En transposant cette constatation au niveau de la Physique Quantique on en arrive au célèbre Principe d'indiscernabilité des particules. ] ...

L'électron, cette particule qui s'allie au noyau pour former l'atome d'hydrogène, est aussi doué d'un moment cinétique de repos, ou spin. Sa projection sur un axe quelconque peut prendre deux valeurs, que nous notons conventionnellement s = ½ et s = – ½. Ce spin a pour simple effet de doubler l'ensemble des cas possibles. Chaque état de l'électron de l'atome d'hydrogène est maintenant décrit par quatre nombres quantiques, qui sont:
100le nombre quantique principal, n = 0, ou 1, ou 2, ou 3, etc...
100le nombre quantique orbital, l = 0, ou 1, ou 2, ... jusqu'à n
100le nombre quantique magnétique, m = –l, –l+1,... jusqu'à + l
100le spin, s = ½ ou s = – ½.

... [ Notons qu'il n'y a pas de limite pour les valeurs de n. Il en suit que le tableau de tous les cas possibles est infini. Cependant il commence ainsi. ] ...

Les cas possibles

Lecteur, n'es-tu pas frappé comme moi par la ressemblance entre ce dernier tableau et celui de ... Mendeleïev? A quelques déplacements de lignes et de colonnes près, c'est le même tableau! Mêmes blocs, constitués des mêmes nombre de familles, apparaissant chaque fois d'une façon décalée... Constatation troublante d'une concordance extraordinaire, les mots me manquent pour la décrire... et j'ai de la peine aussi à imaginer le choc, l'un des tous grands moments de la science, ce choc qu'a dû vivre Erwin Schrödinger, en vacances d'hiver à Arosa, en janvier 1926, lorsqu'il découvrit que l'équation qu'il étudiait contenait en germe tout le tableau de Mendeleïev! Ainsi la structure périodique si mystérieuse des atomes s'éclaircissait brusquement. Ce n'était plus seulement une propriété des atomes entre eux, lorsqu'on les compare, mais une structure cachée dans chacun d'eux, intrinsèquement, déjà observable dans l'atome le plus simple, celui d'hydrogène! Et cela s'obtenait comme une conséquence du fait que l'énergie et le moment cinétique ne peuvent prendre que des valeurs discontinues, comme une conséquence de la nature quantique de la nature!

... [ Pour les atomes autres que l'hydrogène, ayant plusieurs électrons, il faut disposer d'une méthode pour savoir comment peupler ce tableau. C'est ici qu'intervient le Principe d'exclusion, qui stipule que dans un atome, chaque électron occupe un autre état. Grâce à ce principe, les cases du tableau ci-dessus receuillent chacune un électron, et on peut associer à chaque atome la dernière case occupée. ] ...

... [ Cette association entre atomes et cases du tableau, ainsi que l'énergie des électrons croissant avec n et l, permettent de comprendre pourquoi les atomes d'une même colonne ont mêmes propriétés chimiques. ] ...

Encore un point qui t'intrigue, certainement. Le décalage des lignes n'est pas le même dans notre dernier tableau et dans celui de Mendeleïev, ce qui distingue leurs silhouettes.

silhouettes des tableaux

Mais voilà la rive qui s'approche, interrompant la douceur irréelle de notre voyage autant que mes explications... [ ... ] Enfin notre navire accoste, et la foule se déplace lentement vers la sortie. Nous emboîtons le pas, machinalement... [ ... ] Allons, il est temps de partir chacun sur son chemin pour, une semaine durant, reprendre à pleines mains notre totale identité!

Au revoir



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