Le spin

On appelle spin le moment angulaire ou cinétique intrinsèque des particules quantiques. 

Cette notion a été historiquement proposée pour les électrons par Uhlenbeck et Goudsmit en 1925 pour rendre compte des spectres atomiques, notamment le dédoublement des raies spectrales du sodium. Elle s'est appliquée ensuite à toute particule quantique (proton, neutron, noyau, photon, ...).

Très vite après son introduction, Pauli développa l'idée de spin en lui donnant une formulation algébrique. Il essaya surtout de se dégager de la représentation initiale qui en était faite, et qui perdure encore quand il s'agit de l'expliquer "qualitativement". En effet le spin est couramment présenté comme le moment cinétique propre d'un objet tournant sur lui-même comme les planètes ou les balles de tennis. Cette interprétation est très insuffisante pour expliquer nombre de phénomènes. Le spin est en fait une grandeur dont le sens n'apparaît clairement et naturellement que lorsqu'on se place dans le cadre de la mécanique quantique relativiste (Dirac en 1928, Wigner en 1939). Ceci implique que le spin est un "objet" purement quantique dont la compréhension physique reste, encore à l'heure actuelle, à compléter.

Malgré cela, la réalité du spin est prouvée et il est surprenant que les règles le concernant soient relativement simples. En particulier, le spin ne peut prendre que des valeurs particulières, entières ou demi-entières. Le tableau ci-dessous donne le spin de quelques noyaux :

Cette quantification du spin implique celle du moment magnétique m qui lui est associé. En effet le fait d'avoir un spin (moment cinétique) non nul confère aux particules les propriétés d'un dipôle magnétique. Une particule de spin 1/2 soumise à un champ magnétique possède un moment magnétique qui ne peut prendre que deux orientations, dans le même sens que le champ B et dans le sens opposé : le spin de la particule ne peut donc prendre que deux orientations possibles (expérience de Stern et Gerlach en 1921). Pour un spin égal à un, il y a trois orientations, les deux précédentes et l'orientation où m et B sont perpendiculaires. Plus généralement  il y a 2I+1 orientations pour un spin I.

Autre propriété liée à cette quantification du spin : l'invariance par permutation d'un système composé de particules équivalentes (par exemple deux électrons d'un même atome, ou deux noyaux d'une même molécule) conduit à une dichotomie fondamentale liée au spin des particules : d'une part existent les systèmes dont les fonctions d'onde sont invariantes quelle que soit la permutation : les particules sont des "bosons" qui ont la particularité de posséder un spin entier ; d'autre part il y a les systèmes dont les fonctions d'onde changent de signe selon le type de permutation : les particules sont des "fermions" qui ont tous un spin demi-entier. Ces fermions ont des comportements très individualistes : deux particules ne peuvent être dans le même état quantique. C'est le "principe d'exclusion de Pauli" qui s'applique aux particules identiques et indiscernables de spin demi-entier.

Ce résultat de la théorie quantique a permis d'expliquer l'existence de deux espèces différentes de la molécule H₂. Ces espèces sont appelées "isomères de spin nucléaire". L'isomère possédant un spin nucléaire total égal à un est appelé "ortho" (en raison de sa plus grande abondance à température élevée) tandis que l'espèce possédant un spin nucléaire total égal à zéro est appelé "para".

Pour ce "système" composé de deux spins 1/2, le principe de Pauli impose que certains états de rotation moléculaire doivent être associés à un état de spin nucléaire total de la molécule égal à un, que les autres états le soient à un état de spin égal à zéro. Ainsi, en utilisant la terminologie adoptée pour nommer les isomères de spin, les niveaux d'énergie sont appelés "ortho" et "para". On peut ainsi définir deux échelles de niveaux d'énergie correspondant chacune à un isomère de spin. Les transitions directes entre des états ortho et para sont interdites rendant a priori impossible la conversion d'une forme isomérique en une autre. Cependant la conversion est observée et c'est l'objet de notre projet de recherche d'en comprendre le mécanisme.

Cette isomérisme de spin n'est pas réservé à la seule molécule d'hydrogène. Toute molécule possédant des atomes identiques avec des spins non nuls peut exister sous différentes formes d'isomères de spin.