Qu'est-ce que le spin d'une particule

[Tupac.Shakur]

Tout est dans le titre, qu'est-ce que le spin d'une particule et par exemple a quoi correspond celui de l'electron, sur internet j'ai entendu parler de moment angulaire de rotation mais bon. Merci pour vos futures rep

[Smith]

C'est un paramètre purement quantique. On parle souvent dans les livres de vulgarisation que le spin correspond au moment angulaire de la particule, mais je ne crois pas qu'il faille lui donner le sens physique que la physique classique lui donne.

[Poussin38]

Le seul mouvement des charges n'explique pas le magnétisme atomique ni nucléaire, il faut tenir compte d'un magnétisme propre aux particules, dont le moment est lié à un moment angulaire (d'après l'expérience pour les particules de spin non nul).

 

Source : Physique quantique, Michel Le Bellac.

[Tupac.Shakur]

Le seul mouvement des charges n'explique pas le magnétisme atomique ni nucléaire, il faut tenir compte d'un magnétisme propre aux particules, dont le moment est lié à un moment angulaire (d'après l'expérience pour les particules de spin non nul).

 

Source : Physique quantique, Michel Le Bellac.

 

c'est le genre d'explication qui est sur le net, mais ça correspond a quoi? je vois vraiment pas

[Poussin38]

Tu prends une bille, tu la charges, tu la fait tourner, ça créera un champ magnétique lié au moment d'inertie de la bille.

 

Comme on assimile les particules à des billes tu as la définition vulgarisée du spin (toutes les particules ont un spin qui est une caractéristique quantique "intrinsèque"). Attention, l'image du moment de rotation est trompeuse : en mécanique quantique seul le moment magnétique (spin) est une réalité.

 

Précises ce que tu ne saisis pas

Modifié 9 mai 2014 par Poussin38

[Tupac.Shakur]

Le moment d'inertie, c'est quoi au juste, moi l'inertie c'est les deux forces qui s’équilibrent ? Je tombe souvent sur ça, et je sais pas si c'est cque je pense etre

[Tupac.Shakur]

en tous cas merci^^

[yui]

Bonjour

 

Je viens m'inscrire au cours moi aussi

Merci pour ta question Tupac

 

Commençons par des questions simples :

- toutes les particules ont-elles un spin ?

-ce spin est-il déterminé dès la "naissance" de la particule ?

- une particule peut-elle avoir un spin indéterminé ?

- une particule peut-elle naturellement (d'elle-même) changer de spin ?

- une particule peut-elle voir changer son spin du fait de son environnement ?

- un scientifique peut-il influer sur le spin d'une particule ?

- est-on certain de ces réponses ou l'avancée des moyens d'observation pourrait faire que les choses soient envisagées autrement ?

 

Merci pour vos réponses

[julon2000]

Bonjour

 

Je viens m'inscrire au cours moi aussi

Merci pour ta question Tupac

 

Commençons par des questions simples :

- toutes les particules ont-elles un spin ?

-ce spin est-il déterminé dès la "naissance" de la particule ?

- une particule peut-elle avoir un spin indéterminé ?

- une particule peut-elle naturellement (d'elle-même) changer de spin ?

- une particule peut-elle voir changer son spin du fait de son environnement ?

- un scientifique peut-il influer sur le spin d'une particule ?

- est-on certain de ces réponses ou l'avancée des moyens d'observation pourrait faire que les choses soient envisagées autrement ?

 

Merci pour vos réponses

Ça en fait des questions Alors dans l'ordre:

 

- toutes les particules ont-elles un spin ?

 

Quasiment toutes les particules élémentaires ont un spin. En fait, on sépare les particules élémentaires en 2 familles en fonction de leur spin: les fermions qui ont des spin demi-entiers (1/2, 3/2, etc..) et qui constituent la matière ordinaire (électrons, protons etc sont des fermions) et les bosons qui ont un spin entier. Le fameux boson de Higgs a un spin valant 0 et n'a donc pas de spin. À noter que le spin d'un groupe de particules peut valoir 0: une particule alpha (c'est en fait un noyau d'helium constitué de 2 protons 2 neutrons) est de spin 0

 

-ce spin est-il déterminé dès la "naissance" de la particule ?

La "famille" de spin d'une particule est déterminée: l'électron est de spin 1/2 et son spin peut être dans l'état -1/2, ou +1/2, soient 2 valeurs différentes: aucune autre valeur n'est possible. De même, une particule de spin 3/2 peut avoir un spin de -3/2,-1/2,1/2 et 3/2, soient 4 valeurs différentes: on part de la valeur la plus négative et on rajoute +1 pour connaître tous les états possibles. Le photon est de spin 1, mais à cause du fait qu'il est de masse nulle son spin ne peut valoir que -1 ou +1, et pas 0.

 

- une particule peut-elle avoir un spin indéterminé ?

Ça dépend ce que tu entends par indéterminé. La "famille" de spin d'une particule ne varie pas: un électron est toujours de spin 1/2 (cf question précédente). Par contre son état (à savoir s'il est dans l'état spin -1/2 ou +1/2) est en général inconnu et il faut faire une mesure pour le déterminer. D'ailleurs, les premières mesures de spin ont plongé les physiciens dans beaucoup de perplexité:*le spin est une propriété purement quantique, et il a fallu développer... la physique quantique pour l'expliquer. Cherche expérience de Stern et Gerlach sur wikipedia si ça t'intéresse.

 

- une particule peut-elle naturellement (d'elle-même) changer de spin ?

Hmm j'ai un doute sur celle-là, quelqu'un de plus avisé prend le relais?

 

- une particule peut-elle voir changer son spin du fait de son environnement ?

Oui, en interagissant avec d'autres particules.

 

- un scientifique peut-il influer sur le spin d'une particule ?

Oui, en effectuant une mesure un scientifique force une particule à s'établir dans un état de spin déterminé (avant cela, la particule peut être dans tous les états à la fois, c'est le fameux phénomène illustré par le chat de Schrödinger). On peut également faire varier l'état de spin connu d'une particule à l'aide de champs magnétiques variable - cf l'expérience de Stern-Gerlach

 

- est-on certain de ces réponses ou l'avancée des moyens d'observation pourrait faire que les choses soient envisagées autrement ?

C'est un phénomène bien connu, peu intuitif comme beaucoup de choses au niveau quantique, mais bien compris à l'aide du formalisme mathématique.

[pascal_meheut]

- une particule peut-elle voir changer son spin du fait de son environnement ?

- un scientifique peut-il influer sur le spin d'une particule ?

 

Pour préciser, oui et oui comme le dit Julon2000 et sinon, tu n'as pas de disque dur de haute capacité :

 

http://fr.wikipedia.org/wiki/Magn%C3%A9tor%C3%A9sistance_g%C3%A9ante

http://fr.wikipedia.org/wiki/Spintronique

 

 

- une particule peut-elle naturellement (d'elle-même) changer de spin ?

 

Comme au dessus, je ne suis pas sur de ne pas de dire de connerie par manque de connaissance pointue mais on parle de mécanique quantique. "Changer naturellement" est un concept pas forcément simple à définir vu que la particule peut être dans une superposition d'état (avoir plusieurs spins) et qu'on ne sait pas mesurer 2 fois de suite pour voir si ça a changer (puisque toute mesure perturbe. Bon, à creuser quand même.

[yui]

Merci beaucoup pour vos réponses

Ça m'aide bien.

J'avais lu "Alice au pays des quanta" l'an passé et il m'avait bien plu. Peu à peu y a des choses qui rentrent..,

 

Je vais aller lire vos liens

[YAC5]

Le moment d'inertie, c'est quoi au juste, ...

 

Bonjour Tupac,

C'est de la physique "classique". Rien à voir avec la physique "quantique".

 

En physique classique le mouvement stocke de l'énergie "cinétique" (ce qui signifie "de mouvement") notée E et cela proportionnellement soit au carré de sa vitesse linéaire V (déplacement selon une trajectoire) soit au carré de sa vitesse angulaire W (rotation sur lui-même ; il faut donc un axe de rotation). J'écris W mais c'est classiquement la lettre grecque oméga que je ne peux pas taper ici.

Pour le mouvement linéaire on a E=MV²/2 et pour le mouvement de rotation on a E=JW²/2. Remarque bien la similitude des deux expressions.

(prononce :"un demi de ème vé deux" et "un demi de oméga deux".

Le moment cinétique est M dans le premier cas et J dans le second.

M est égal à la masse ; J dépend de la masse et de la forme du solide en rotation. C'est juste un peu plus compliqué à calculer.

 

En physique quantique on ne peut pas connaître simultanément tous les paramètres d'une particule (masse, vitesse, coordonnées, etc.). On fait donc des calculs statistiques qui fonctionnent suivant un modèle purement mathématique (dit "modèle standard") et dont les coefficients n'offrent donc pas la possibilité d'une image classique.

Ainsi il faut accepter l'expression mathématique quantique sans chercher une visualisation en physique classique. C'est une difficulté pour le bon sens commun mais une bénédiction pour les paresseux

 

Cordialement

YAC5

[yui]

Bonjour YAC,

Cette relation E=MV^2 fait penser à E=MC^2

avec C pour la vitesse de la lumière

C'est la même relation ?

 

Et l'apellation "modèle standard" fait penser au modèle retenu pour expliquer l'evolution de l'Univers.

Est-ce un hasard ?

 

Je viens de trouver une vidéo formidable

http://m.youtube.com/?hl=fr&gl=FR#/watch?v=tcpBwgN5hlE

(en plus elle ne fait que 10min ce serait dommage de s'en priver, quitte à la visionner plusieurs fois tant elle est agréable et instructive )

Modifié 10 mai 2014 par yui

[julon2000]

Bonjour YAC,

Cette relation E=MV^2 fait penser à E=MC^2

avec C pour la vitesse de la lumière

C'est la même relation ?

 

Les expressions se ressemblent effectivement, mais ne signifient pas la même chose:

• E=1/2*mv^2 représente l'énergie cinétique d'un corps, à savoir l'énergie due à son mouvement. Un piano tombant du 3ème étage a passablement d'énergie cinétique vue depuis le trottoir
  
• E=mc^2 représente l'énergie au repos d'un corps: dans certaines conditions cette énergie due uniquement à la masse du corps peut être convertie en d'autres formes d'énergie, par exemple dans les centrales nucléaires.
  

 

Edit: les balises tex ne fonctionnent pas?

[YAC5]

...

Cette relation E=MV^2 fait penser à E=MC^2

avec C pour la vitesse de la lumière

C'est la même relation ? ...

Bonjour yul,

Non mais il n'y a pas de hasard non plus.

La célèbre formule donnant l'équivalence énergétique d'une masse, E=mc², est une version de la relation complète E²=p²c²+mo²c4 où p est l'impulsion mv, où c est la vitesse de la lumière dans le vide et où m est la masse relativiste calculée comme m=m0/(1-v²/c²)^1/2. Ainsi pour une masse au repos, v=0 donc p=0, on a E= m0c².

Aux faibles vitesses v est négligeable devant c et une décomposition en série limitée au premier facteur donne la relation approchée non-relativiste :

m ≈ m0 + ½ m0v² où m ne tend pas vers l'infini.

L'énergie cinétique ½ m0v² est une très bonne approximation de l'énergie gagnée par un corps qui se déplace à une vitesse "faible". L'énergie cinétique de grand-papa n'est pas relativiste mais reste excellente pour les applications de la vie courante.

 

...Et l’appellation "modèle standard" fait penser au modèle retenu pour expliquer l’évolution de l'Univers.

Est-ce un hasard ? ...

 

Non en effet. On dit "standard" lorsque ça fait le consensus dans la ménagerie Mais je crois que c'est plutôt le monde de l'infiniment grand qui a pompé l'expression du monde de l'infiniment petit

 

Cordialement

YAC5

[bongibong]

- une particule peut-elle naturellement (d'elle-même) changer de spin ?

A priori oui, par exemple, un électron de spin 1/2 peut émettre spontanément un photon de spin 1.

Dans ce cas, l'électron passe à un spin -1/2.

 

Je suis d'accord avec tout ce qui a été dit, par contre attention, quand on parle de spin, on parle ici de la projection du spin sur une direction donnée.

 

En effet, pour une particule telle que l'électron, quand on parle de spin 1/2, on fait référence à son nombre magnétique m qui peut valoir :

\pm \frac{\hbar}{2} (au cas où les commandes latex ne passent pas.

 

Par contre le spin est vectoriel (en fait ce n'est pas tout à fait vrai, il est tellement bizarre qu'il est même spinoriel, mais inutile de compliquer), c'est à dire qu'il est représenté de la façon suivante :

.

\vec L = (L_x,L_y,L_z)

 

En mécanique quantique, on peut connaître seulement la norme au carré de L, pour l'électron c'est .

\frac{\sqrt 3}{2}\hbar

Et quand on parle de spin 1/2 ou -1/2, on parle de la composante sur x y ou z.

 

Sachant qu'il faut également voir que chaque composante n'est pas observable. Quand on observe la composante Lx, on perturbe les 2 autres composantes Ly et Lz.

 

Et cela provient de ce que l'on appelle la non-commutativité des opérateurs de spin. Parce qu'en mécanique quantique, à chaque observable, on peut attribuer un opérateur, et le spectre des valeurs propres des opérateurs correspondant au spectre des valeurs mesurables.

[L_i,L_j] = L_i L_j - L_j L_i = i\hbar \varepsilon_{ijk}L_k

[Smith]

Pour l'univers on parle aussi de modèle de concordance.

[bongibong]

Le moment d'inertie, c'est quoi au juste, moi l'inertie c'est les deux forces qui s’équilibrent ? Je tombe souvent sur ça, et je sais pas si c'est cque je pense etre

Je suppose que tu connais bien la loi de Newton (le principe fondamental de la dynamique).

 

F = ma

 

Quand on a une configuration physique qui permet seulement une rotation (exemple typique, une porte coincée par deux charnières), l'équation de Newton peut se simplifier.

En effet, tu verras par la suite on peut se placer dans les coordonnées cylindriques, et faire un produit vectoriel par rapport à r.

 

Donc le terme radial est éliminé, et la relation projetée sur l'axe Oz donne :

 

mr² d²\theta / dt² = r vectoriel F

 

En remplaçant mr² par I (moment d'inertie), tu retrouves une équation qui ressemble à l'équation de Newton :

 

I \theta'' = moment d'une force

à comparer avec :

mx'' = somme des forces

 

Le moment d'inertie est un objet qui ressemble à une inertie et qui s'oppose à sa variation de vitesse de rotation (accélération angulaire). (pas comme l'inertie qui s'oppose à son accélération).

[bongibong]

Pour l'univers on parle aussi de modèle de concordance.

Je suppose que tu parles du modèle Lambda CDM.

 

En fait c'est un modèle qui a pour paramètre (sans être exhaustif), la quantité de baryon, de matière noire, d'énergie sombre, la constante de hubble etc...

 

La mesure du rayonnement fossile permet d'obtenir ce qu'on appelle le spectre de puissance.

Le modèle de concordance est le modèle Lambda CDM (pour Lambda Cold Dark Matter) qui a le jeu de paramètres cités plus haut qui s'ajuste le mieux au spectre de puissance mesuré par WMAP puis Planck. (dans le jargon, on dit que ça fitte bien).

[pascal_meheut]

J'ai un petit doute sur l'adéquation des dernières réponses avec le niveau en maths/physiques des auteurs des questions...

 

Parfois, je me dit que la vulgarisation serait plus adaptée que les équations aux dérivées partielles.

[Great gig in the sky]

J'ai un petit doute sur l'adéquation des dernières réponses avec le niveau en maths/physiques des auteurs des questions...

 

Parfois, je me dit que la vulgarisation serait plus adaptée que les équations aux dérivées partielles.

 

J' allais le dire !

[bongibong]

En très vulgarisé, ce que je voulais dire c'est :

 

Si on mesure le spin d'un faisceau d'électrons sur l'axe Ox par exemple et que l'on sélectionne que les électrons ayant un spin +1/2.

 

Ensuite si on mesure le spin des électrons le long de l'axe Oy, et bien on aura perturbé le spin des électrons sur l'axe Ox, au départ on avait 100% d'électron de spin 1/2 sur l'axe Ox.

Ensuite en faisant la mesure sur l'axe Oy, et bien on a perturbé ce spin sur l'axe Ox et on se retrouve avec un mélange de 50% de spin 1/2 et -1/2 sur l'axe Ox.

[Lolo]

Comment explique-t-on physiquement que la mesure change le spin ?

[jgricourt]

Pour être plus concret, le spin de l'electron intervient directement dans ce que l'on appel l'effet Zeeman. On exploite ce phénomène pour mesurer le champ magnétique solaire au niveau des taches (satellite Soho).

 

http://www.eyes-on-the-skies.org/shs/Zeeman%20Effect.htm

 

Note: on observe le décalage en fréquence de l’émissions des atomes dû à l'influence d'un champ magnétique.

Modifié 11 mai 2014 par jgricourt

[pascal_meheut]

Comment explique-t-on physiquement que la mesure change le spin ?

 

Parce qu'en mécanique quantique, on ne peut pas mesurer qque chose sans changer sa valeur (en gros).

 

Si tu as de la chance, tu vas avoir l'explication avec un opérateur hermitien agissant sur un espace de Hilbert du principe d'incertitude de Heisenberg

[YAC5]

Et le Hilbert il est pas content qu'un maudit hermitien vienne opérer dans son espace

YAC5

OO pardon M'sieur Heisenberg ! j'n'étais pas certain qu'c'était vous ...

[bongibong]

A chaque fois que tu fais une mesure, tu perturbes ton système.

Par exemple, le simple fait de mesurer l'énergie d'un système va provoquer ce que l'on appelle la réduction du paquet d'onde.

Cette réduction du paquet d'onde est grosso modo la projection du vecteur d'état du système dans une base de vecteurs propres.

 

Le problème est que lorsque l'on a affaire à des variables complémentaires (c'est à dire qui ne peuvent être déterminés avec une précision infinie simultanément [mathématiquement parlant, ce sont des opérateurs qui ne commutent pas, donc ils n'ont pas la même base de vecteurs propres]), alors la mesure suivante projette le vecteur d'état dans une autre base de vecteurs propres.

[Lolo]

Merci pour vos explications.

[julon2000]

A priori oui, par exemple, un électron de spin 1/2 peut émettre spontanément un photon de spin 1.

Dans ce cas, l'électron passe à un spin -1/2.

 

Bien vu! Mais si je ne m'abuse un électron n'émet un photon que quand il est accéléré ou qu'il change d'orbite dans un atome, ce qui dans les 2 cas implique une interaction avec son environnement. Peut-il changer d'état de spin spontanément, sans déclencheur extérieur?

 

Si tu as de la chance, tu vas avoir l'explication avec un opérateur hermitien agissant sur un espace de Hilbert du principe d'incertitude de Heisenberg

[Dom de Savoie]

Bonjour,

 

Bien vu! Mais si je ne m'abuse un électron n'émet un photon que quand il est accéléré ou qu'il change d'orbite dans un atome, ce qui dans les 2 cas implique une interaction avec son environnement.

Tout à fait, un électron n'émet pas un photon spontanément. Il faut qu'il soit accéléré (rayonnement synchrotron) où qu'il soit soumis à un champ, par exemple en passant à proximité d'un noyau (bremsstrahlung).

 

Peut-il changer d'état de spin spontanément, sans déclencheur extérieur?

 

Non, il ne va pas changer d'état de spin spontanément, mais la question n'a pas forcément beaucoup de sens car si la particule est isolée, il n'y a a priori aucun moyen de savoir dans quel état de spin elle se trouve sans faire une mesure donc sans interagir avec elle. Et de toutes façons à moins qu'elle n'ait été produite dans un état propre de spin, elle se trouve probablement dans une superposition d'états.

 

Un détail important aussi, le nombre quantique de spin (quand on dit par exemple que l'électron possède un spin 1/2) ne change jamais, car c'est une quantité intrinsèque à la particule. Autrement dit, si le spin change, ce n'est plus la même particule... Ce qui peut changer c'est la projection du spin où état de spin (+1/2 ou -1/2 dans le cas d'un électron).

 

Dominique