La notion de spin a été introduite par Pauli en décembre 1924 [ PA25 ] pour l'électron afin d'expliquer un résultat expérimental qui restait incompréhensible dans le cadre naissant de la mécanique quantique non relativiste : l' effet Zeeman anormal. L'approche développée par Pauli consistait à introduire de façon ad-hoc le spin en ajoutant un postulat supplémentaire aux autres postulats de la mécanique quantique non relativiste (équation de Schrödinger, etc.).
Le spin, bien qu'étant une grandeur purement quantique, se manifeste de façon concrète dans un large éventail d'expériences et d' applications technologiques. L'observation directe du spin a été rendue possible grâce, notamment, à l'expérience de Stern et Gerlach. Cette expérience met en jeu un faisceau d'atomes passant dans un champ magnétique non homogène : le faisceau se divise alors en plusieurs composantes selon la valeur du spin, révélant ainsi sa nature discrète. Cette expérience figure parmi les démonstrations clés de la quantification du moment angulaire intrinsèque, limitant tout résultat possible à un nombre fini de valeurs.
Le spin a d'abord été interprété comme un degré de liberté supplémentaire, s'ajoutant aux trois degrés de liberté de translation de l'électron : son moment cinétique intrinsèque (ou propre ). En d'autres termes, l'électron ponctuel était vu comme tournant sur lui-même — d'où le nom de « spin » (de l' anglais « to spin » : faire tourner). Mais il est vite apparu que cette « rotation » devait être considérée comme purement quantique : elle n'a pas d'équivalent en mécanique classique . La représentation du spin en termes de simple rotation a donc été abandonnée. Wolfgang Pauli avait déjà noté en 1924 que, compte tenu des dimensions estimées de l'électron, une rotation de l'électron nécessiterait une vitesse tangentielle de rotation à son équateur qui serait supérieure à la vitesse de la lumière [ 6 ] , vitesse par principe infranchissable selon la théorie de la relativité restreinte .
Les fermions et les bosons ont des comportements collectifs opposés. Les bosons sont des particules "sociables" dans le sens que des bosons identiques avec exactement les mêmes propriétés peuvent occuper le même état. Par exemple, le principe du laser est dû au fait qu'un grand nombre de photons peuvent partager le même état. Par contre, les fermions sont des particules "solitaires", soumises au principe d'exclusion : il ne peut pas y avoir deux fermions identiques dans le même état. Cette propriété est à l'origine de la classification périodique des éléments chimiques et, plus généralement, de toute la chimie.
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