Resonance magnétique nucléaire

Pages: 8 (1914 mots) Publié le: 31 janvier 2011
RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE
1. Moment magnétique nucléaire :
Les noyaux sont caractérisés par un spin nucléaire et un moment magnétique nucléaire qui sont tous deux quantifiés : ils sont équivalents à de petits aimants.

µ=γS
S : spin µ : moment magnétique nucléaire γ : rapport gyromagnétique Les valeurs de S peuvent être prévues empiriquement à partir du nombre p de protons et du nombren de neutrons constituant le noyau : si p et n pairs : S = 0 exemple : 12C, 16O si p et n impairs : S est un entier exemple : 2H ,14N pour lesquels S = 1 si (p + n) est impair : S est un demi-entier exemple : 1H,13C,31P Nous étudierons uniquement les noyaux tels que S = ½ puisque c’est eux essentiellement qui sont utilisés dans la technique d’analyse puissante que constitue la RMN : RésonanceMagnétique Nucléaire (RMN du proton , du carbone 13 très utilisés en analyse organique et RMN du phosphore 31 utilisé surtout en médecine )

Si S = 1/ 2 , on a en fait deux états de spin possibles et donc deux moments magnétiques possibles : Remarque : tout se passe comme si certains noyaux tournaient dans un sens et les autres dans l’autre sens En l’absence de champ magnétique extérieur , tous lesnoyaux , quel que soit leur moment magnétique , ont même énergie .

2. Principe de la RMN : 1. Levée de dégénérescence dans un champ magnétique extérieur
Si on applique un champ magnétique extérieur les noyaux interagissent différemment suivant l’état de leur moment magnétique . Ils ont alors des énergies différentes . On dit qu’il y a « levée de dégénérescence du niveau d’énergie » Remarque :si S = 0 , il n’y pas d’interaction possible et les noyaux correspondant ne peuvent pas être utilisés en RMN.

E2 – E1 = ∆E est : très faible proportionnelle au champ appliqué Bo dépend de la nature du noyau Exemple : Bo = 2.5 T à 11.7 T en RMN et on a ∆E ≈ 10-25 J Des noyaux dans l’état E1 peuvent alors absorber de l’énergie (par exemple sous forme de photons)pour passer dans l’état E2. Quelleserait alors la fréquence νo des photons absorbée ? hνo = E2 – E1 soit νo = 10-25 /6.62.10-34 ≈ 150.106 Hz soit 150 MHz ce qui correspond à une longueur d’onde λo = c/νo ≈ 2 m On est dans le domaine des ondes courtes ( hautes fréquences ) .

2. Paramètres agissant sur la sensibilité :

Soit N1 le nombre de noyaux dans l’état E1 et N2 le nombre de noyaux dans l’état E2. D’après la loi derépartition de Boltzmann : N2/N1 ≈ exp (-∆E/kT) avec k =1.38.10-23 J.K-1 A température ordinaire T = 300K ,en prenant ∆E ≈ 10-25 J ,on a N2/N1 ≈ 0.999976…donc N2 est sensiblement égal à N1 ( si N1 = 100 000 , N2 = 99 998 soit une différence de 2 !) Si on envoie dans ces conditions une onde telle que hνo = E2-E1 sur l’échantillon , l’absorption et l’émission stimulée sont pratiquement équiprobables et lesignal observé est donc très faible . Pour augmenter le rapport N2/N1 , on peut jouer sur la température T. Si on travaille à température ordinaire , il faut augmenter la valeur de ∆E en augmentant Bo , N2/N1 augmente aussi .

Pour obtenir des champs magnétiques élevés , on travaille avec des cryoaimants ( bobine en alliages supraconducteurs maintenue à la température de l’hélium liquide , 4 K)

3. Application à l’étude des structures chimiques : 1. Influence de l’environnement :
En pratique , les noyaux sont toujours dans un environnement qui leur constitue un écran magnétique par rapport au champ extérieur appliqué Bo . Cet effet d’écran dépend : • de la place du noyau dans la molécule dont ils font partie • du milieu dans lequel la molécule se trouve ( solution , produit pur ,…)Le champ effectif ressenti par le noyau est donc plus faible que Bo, soit :

Beffectif = Bo (1 - σ)
où σ est une constante positive , appelée constante d’écran qui caractérise l’environnement du noyau. Les photons susceptibles d’être absorbés pour faire passer les noyaux du niveau E1 au niveau E2 ont donc une fréquence légèrement plus faible que νo. L’écart est de quelques centaines de...
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