RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE (ONDE CONTINUE)

THEORIE SIMPLIFIEE

Dans un atome quelconque, le noyau est animé d’un mouvement de rotation sur lui même, défini par un moment cinétique P quantifié, lié au spin nucléaire I par la relation: P = (h/2T).I
I est lié au nombre de spin I par la relation: [I]2 = I(I + 1)
I peut être nul, entier ou demi-entier, selon la structure du noyau (voir plus loin)
Ce noyau peut posséder un moment magnétique U, lié à P par:
U = Y . P
Y .est appelé rapport gyromagnétique, U et P sont colinéaires
Le nombre de spin I et le nombre quantique magnétique m peuvent prendre les 2I + 1 valeurs: – I, – I + 1, ……. I – 1, I
Le noyau peut être décrit par un modèle en couches, représentant la répartition des protons et des neutrons:
– si A et Z sont pairs, la répartition est symétrique, dans ce cas I = 0 et  = 0, le noyau est dit non tournant: par exemple 12C (Z = 6) ou 16O (Z = 8)
– quand la répartition est asymétrique, le noyau est dit tournant. Deux cas sont possibles:
A est impair: dans ce cas I est demi-entier (1H, 13C, 15N)
A est pair, Z est impair: dans ce cas I est entier: 2H(Z = 1), 14N(Z = 7)
Si on soumet le noyau à un champ magnétique H0, il s’anime d’un mouvement de précession (comme une toupie inclinée d’un angle , voir fig. 1). La fréquence 0, dite fréquence de précession de Larmor, est proportionnelle au champ appliqué: 0 = (/2).H0
L’orientation de  par rapport à H0 (inclinaison de la toupie) est quantifiée selon les valeurs prises par m. Dans le cas d’un noyau de spin 1/2 comme 1H, deux valeurs de m sont permises:
– m = + 1/2, favorable énergétiquement (dans le sens de H0)
– m = – 1/2, défavorable énergétiquement(sens opposé à H0).
L’écart E entre ces deux états énergétiques est très faible. En conséquence, leurs populations, régies par la loi de distribution de Boltzmann: N1 = N0.e- AE/kT
sont pratiquement identiques

 APPAREILLAGE

Un schéma d’un appareil de première génération (à onde continue) est donné ci-dessous :
– H0 est assuré par un aimant permanent ou un électroaimant
– H1 par une bobine émettant dans la zone des fréquences radio ( quelques dizaines à quelques centaines de MHz)
– le récepteur, qui assure la détection de l’absorption, est un capteur de fréquence accordé en fréquence avec l’émetteur
– pour atteindre les conditions de résonance, on peut opérer:
* soit à champ H0 fixe avec balayage en fréquences
* soit à fréquence 0 fixe avec balayage en champ
L’échantillon doit être homogène (liquide peu visqueux ou solution dans un solvant contenant aussi peu de protons que possible). Il est placé dans un tube cylindrique dont l’axe est parcouru par H0 et animé d’un mouvement de rotation uniforme autour de cet axe.

 EFFET D’ECRAN

Dans le cas d’un noyau isolé, comme un proton H+, le champ subi par le noyau est égal au champ émis par l’électroaimant (H0): il n’y a pas d’effet d’écran Si l’émetteur radiofréquence est réglé sur une fréquence 0 = (/2).H0 , on aura résonance.
Dans le cas de l’atome d’hydrogène H, l’électron fait écran au champ émis H0: le champ subi par le noyau (H’0) sera plus faible que dans le cas de H+ : H’0 < H0 et H0 = H’0 + He où est le champ magnétique généré par l’électron faisant écran.
Sa fréquence de précession (’0) ne sera donc plus accordée à celle de l’émetteur (0), car ’0 < 0 : il n’y aura plus résonance. Pour retrouver les conditions de résonance, il faudra:
– soit augmenter l’induction du champ émis pour que le champ subi revienne à la valeur H0
– soit diminuer la fréquence de l’émetteur (et du récepteur ) jusqu’à la valeur ’0.
On a choisi la première solution
On dit alors que l’atome d’hydrogène H résonne à champ plus fort que le proton H+.