RÉSONANCE MAGNÉTIQUE

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Principe de la résonance magnétique

Chaque électron d'un atome possède une propriété analogue à ce que lui conférerait une rotation autour du noyau atomique, que l'on caractérise par une grandeur vectorielle appelée moment angulaire orbital. Il possède de plus un moment angulaire intrinsèque, analogue à celui d'un gyroscope, appelé spin (de l'anglais spinning top : toupie). À chaque moment angulaire est associé un moment magnétique. Dans un édifice électronique, molécule ou ion, le couplage entre les divers moments des électrons individuels conduit à un moment angulaire global et un moment magnétique global qui, dans la plupart des cas, sont nuls. Seuls font exception quelques molécules et les ions de quelques métaux. On les appelle centres paramagnétiques ou, par un abus de langage, spins électroniques ; leur résonance magnétique porte le nom de résonance paramagnétique électronique, ou R.P.E. Les noyaux atomiques dont le spin est non nul possèdent eux aussi un moment magnétique, environ un millier de fois plus faible que les moments électroniques ; leur résonance s'appelle résonance magnétique nucléaire ou R.M.N.

Dans le cas des noyaux et de beaucoup de centres paramagnétiques, les moments angulaire et magnétique sont parallèles. Leur rapport est appelé rapport gyromagnétique. Pour les centres paramagnétiques, il dépend du couplage des électrons individuels entre eux et avec le milieu environnant ; pour les spins nucléaires, ce rapport est caractéristique de chaque espèce nucléaire.

Lorsqu'un aimant dont les moments magnétique et angulaire sont colinéaires est placé dans un champ magnétique, son aimantation effectue autour de la direction du champ un mouvement de précession à une fréquence proportionnelle à l'intensité du champ et au rapport gyromagnétique de l'aimant, que l'on appelle fréquence de Larmor (du nom du physicien anglais qui a, le premier, abordé ces problèmes).

Considérons un moment magnétique dans un champ magnétique statique, dans lequel sa fréquence de Larmor a une valeur bien déterminée, et ajoutons un autre champ magnétique, beaucoup plus petit, perpendiculaire au champ statique et tournant autour de lui. Si la fréquence de rotation de ce second champ est très différente de la fréquence de Larmor, l'influence de ce champ sur le mouvement de l'aimantation est négligeable. Si, par contre, ces fréquences sont égales ou très proches, le mouvement de l'aimantation est fortement perturbé. Cette réponse sélective du système à une excitation périodique de fréquence bien déterminée constitue le phénomène de résonance. La perturbation du mouvement de l'aimantation est détectée par l'intermédiaire de la force électromotrice que cette aimantation induit dans une bobine entourant l'échantillon. Seule la composante de l'aimantation, qui est perpendiculaire au champ statique appliqué, induit un signal.

Il est utile de considérer, parallèlement à la précédente, une seconde description du phénomène de résonance magnétique basée sur la mécanique quantique. Si l'on mesure la projection d'un moment magnétique, nucléaire ou électronique, le long d'une direction fixée, on ne peut trouver qu'un nombre limité de valeurs bien déterminées ; on dit que le moment magnétique est quantifié. Comme l'énergie d'interaction d'un moment magnétique avec un champ magnétique appliqué est proportionnelle à la projection de ce moment sur la direction du champ, il résulte de la propriété précédente qu'un moment magnétique placé dans un champ magnétique ne possède qu'un nombre limité d'états d'énergie bien déterminés, correspondant chacun à une valeur différente de la projection du moment magnétique le long de la direction du champ (effet Zeeman). Le cas le plus simple est celui du proton, ou noyau d'hydrogène, qui ne possède que deux états d'énergie différents dans un champ magnétique, car la projection de son moment magnétique sur la direction du champ ne peut avoir que deux valeurs opposées. De plus, un champ électromagnétique périodique est également quantifié en « grains », appelés photons, dont l'énergie est proportionnelle à la fréquence du champ. Si, dans un champ magnétique statique, un moment magnétique est soumis à un second champ périodique, c'est-à-dire s'il est environné de photons, il peut se produire une transition au cours de laquelle le moment magnétique passe d'un état d' [...]

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Écrit par :

  • : docteur ès sciences, maître assistant au laboratoire de chimie structurale organique de l'université de Paris-XI, Orsay
  • : sous-directeur de laboratoire au Collège de France, conseiller scientifique au Commissariat à l'énergie atomique

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Pour citer l’article

Jacques COURTIEU, Maurice GOLDMAN, « RÉSONANCE MAGNÉTIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/resonance-magnetique/