Facteur de Landé

Au moment cinétique orbital d'une particule de charge ${\displaystyle q}$ (positive ou négative) et de masse ${\displaystyle m}$ est associé un moment magnétique orbital :

${\displaystyle {\vec {\mu }}_{L}\ =\ {\frac {q}{2m}}\ {\vec {L}}}$,

où

• ${\displaystyle \gamma =\ {\frac {q}{2m}}\ \ }$ est le rapport gyromagnétique qui est le même que dans le cadre de la mécanique classique ;
• ${\displaystyle {\vec {L}}}$ est le moment cinétique orbital ;
• ${\displaystyle \mu _{L}}$ est le moment magnétique orbital.

Toutefois, dans le cas d'une particule fondamentale, les moments cinétique et magnétique de spin, ne sont plus dans un rapport qui ne dépende que de la charge et de la masse, et l'on introduit un nombre sans dimension, g, facteur de Landé qui permette d'écrire

${\displaystyle {\vec {\mu }}_{S}\ =\ {\frac {g.q}{2m}}\ {\vec {S}}}$,

où

• g est le facteur de Landé de la particule concernée ;
• S est le spin ;
• μ_S est le moment magnétique de spin.

L'équation de Schrödinger ne fait pas intervenir le spin des particules, de sorte que la mécanique quantique non relativiste ne permet pas de déduire la valeur du facteur de Landé d'une particule de spin non nul. Une théorie plus précise, l'équation de Dirac, qui décrit les fermions relativistes de spin 1/2, prédit une valeur g_e = -g = −2 pour l'électron très proche de la valeur expérimentale de −2,0023, et l'écart entre les deux est expliqué dans le cadre de l'électrodynamique quantique.

Pour un atome, le facteur de Landé intervient dans le calcul des niveaux d'énergie atomiques en champ magnétique faible.

Si l'on s'intéresse au moment cinétique électronique J somme du spin électronique S et du moment cinétique orbital L, le facteur de Landé vaut :

${\displaystyle g_{J}=g_{L}\,{\frac {J(J+1)-S(S+1)+L(L+1)}{2J(J+1)}}+g_{S}\,{\frac {J(J+1)+S(S+1)-L(L+1)}{2J(J+1)}}}$,

soit approximativement

${\displaystyle g_{J}\approx 1+{\frac {J(J+1)-L(L+1)+S(S+1)}{2J(J+1)}}}$

avec

${\displaystyle g_{L}\approx 1}$ ;

${\displaystyle g_{S}\approx 2}$.

Le calcul du spin S ne fait intervenir que les électrons de valence.

Si l'on s'intéresse au moment cinétique total de l'atome F, somme du spin nucléaire I et du moment cinétique électronique J, le facteur de Landé s'écrit

${\displaystyle g_{F}=g_{J}\,{\frac {F(F+1)-I(I+1)+J(J+1)}{2F(F+1)}}+g_{I}\,{\frac {F(F+1)+I(I+1)-J(J+1)}{2F(F+1)}}}$,

soit approximativement

${\displaystyle g_{F}\approx g_{J}\,{\frac {F(F+1)-I(I+1)+J(J+1)}{2F(F+1)}}}$.

La simplification provient de l'approximation

${\displaystyle g_{I}\approx g_{J}\,{\frac {m_{\mathrm {e} }}{m_{\mathrm {p} }}}\ll 1}$.