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Le spin atomique

Qu'est-ce que le spin atomique ?

Par spin atomique, on entend un moment magnétique mesurable des atomes qui se comporte comme un petit aimant élémentaire. Le spin atomique est est dû aux spins des particules qui constituent les atomes. Ce sont les particules élémentaires. Chaque particule élémentaire possède un spin. L'électron, par exemple, a un spin électronique. La superposition des spins de toutes les particules élémentaires d'un atome produit le spin atomique résultant qui détermine les propriétés magnétiques du matériau.
Table des matières
Des champs magnétiques sont toujours créés par le mouvement de charges. Les propriétés magnétiques de la matière, à savoir le ferromagnétisme, le paramaggnétisme et le diamagnétisme, sont également déterminées par les états de mouvement des particules élémentaires chargées dans les atomes du matériau. Il en résulte des effets magnétiques qui se comportent comme de petits aimants élémentaires, ou, dans le langage technique de la physique, comme des moments magnétiques, à l'endroit des différents atomes.

Contributions au spin atomique : spin des électrons, moment orbital et spin nucléaire

La principale contribution au moment magnétique des atomes provient du spin de l'électron. Contrairement au mouvement orbital des électrons autour du noyau de l'atome (appelé moment orbital), le spin électronique est une propriété des électrons eux-mêmes, que l'on peut en quelque sorte s'imaginer comme la rotation d'une boule chargée autour de son propre axe, même si la physique peut montrer que cette idée n'est pas tout à fait correcte.
Le spin des électrons n'est toutefois pas le seul aimant élémentaire. Le moment cinétique orbital, c'est-à-dire le mouvement des électrons autour du noyau atomique, contribue également au moment magnétique total des atomes. La contribution la plus importante dépend fortement du type du matériau magnétique. Pour les matériaux ferromagnétiques courants (fer, cobalt, nickel), c'est le spin des électrons qui domine.
Il existe cependant de nombreux composés et alliages (par exemple le samarium-cobalt) qui possèdent également un moment magnétique orbital des électrons autour du noyau, qui contribue fortement au magnétisme. Il existe également le spin nucléaire, qui est toutefois environ 1000 fois plus faible que le spin des électrons. Les noyaux atomiques peuvent avoir des spins très différents, car leur spin total se compose des spins de tous les protons et neutrons du noyau atomique. Les spins des protons et des neutrons sont à leur tour formés par le spin des quarks, qui sont les particules élémentaires formant le noyau atomique.

Par spin atomique, on entend ici le moment magnétique total des atomes qui détermine les propriétés magnétiques du matériau. Il peut être calculé par une addition vectorielle des différentes contributions (spin électronique, spin nucléaire, moment orbital) (voir illustration).
Spin atomique : moment magnétique mesurable des atomes
L'illustration montre un atome (ici l'oxygène) composé d'un noyau atomique et d'une enveloppe d'électron. Les états de mouvement de ces éléments chargés génèrent un champ magnétique qui se compose de la somme de tous les moments des atomes additionnables individuellement (représentés ici en très grand pour plus de clarté).
Les moments magnétiques des atomes se composent des contributions du spin des électrons, du moment magnétique orbital des électrons (dû au mouvement autour du noyau atomique) et du spin nucléaire.
Pour les matériaux ferromagnétiques courants (fer, cobalt, nickel), c'est cependant la contribution du spin électronique qui domine.
Dans les matériaux ferromagnétiques, une stabilisation supplémentaire des spins électroniques alignés se produit grâce à ce que l'on appelle l'interaction d'échange. De ce fait, la contribution du spin électronique à la magnétisation est très importante et les matériaux ferromagnétiques sont très facilement magnétisables. Ils renforcent les forces magnétiques dans les champs magnétiques d'un facteur appelé "perméabilité magnétique" μ qui peut aller jusqu'à μ=150'000.



Portrait du Dr Franz-Josef Schmitt
Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt


Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.

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