Nombre quantique magnétique

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En mécanique quantique, le nombre quantique magnétique, noté m, également appelé nombre quantique tertiaire, est l'un des quatre nombres quantiques décrivant l'état quantique d'un électron dans un atome. Il s'agit d'un nombre entier lié au nombre quantique azimutal par la relation : m. Il correspond à la projection du moment angulaire orbital de l'électron sur l'axe de quantification[a], et distingue les orbitales atomiques au sein des sous-couches électroniques. La projection Lz du moment angulaire L sur l'axe de quantification vaut :

Lz = m

où ℏ est la constante de Planck réduite. Chaque sous-couche contient ainsi 2 + 1 orbitales atomiques : une orbitale par sous-couche de type s ( = 0), trois orbitales par sous-couche de type p ( = 1), cinq orbitales par sous-couche de type d ( = 2), etc. Il a été introduit à la suite de la découverte de l'effet Zeeman afin de rendre compte de la levée de dégénérescence des orbitales en présence d'un champ magnétique responsable de la structure hyperfine du spectre de l'atome d'hydrogène.

Le nombre quantique magnétique m est lié à la direction du vecteur de moment angulaire de l'électron. Il n'affecte l'énergie de l'électron qu'en présence d'un champ magnétique car, en l'absence d'un tel champ, toutes les harmoniques sphériques correspondant aux différentes valeurs de m sont équivalentes. C'est la raison pour laquelle on le qualifie de nombre quantique magnétique. L'application d'un champ magnétique extérieur induit ainsi une variation d'énergie différente entre orbitales atomiques d'une même sous-couche électronique en fonction du nombre m, ce qui est à l'origine de l'effet Zeeman.

Le moment angulaire total J de l'électron fait intervenir son nombre quantique magnétique m ainsi que son nombre quantique magnétique de spin ms, la somme de ces deux nombres donnant le nombre quantique de moment angulaire total mj. En présence d'un champ magnétique, le moment magnétique total de l'électron exerce un couple Γ qui tend à faire tourner le vecteur J autour du vecteur B de ce champ selon le produit vectoriel Γ = γ JB, où γ est le rapport gyromagnétique ; ce phénomène est appelé précession de Larmor et est utilisé par exemple en RMN, en IRM ou encore en RSE.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Il s'agit d'un axe arbitraire, car il est impossible de mesurer le moment angulaire d'un électron par rapport aux trois axes simultanément.