Spin nucléaire
Un noyau est observable par R.M.N. s'il présente des propriétés magnétiques caractérisées par l'existence d'un spin I non nul...
Rappel : D'où vient la notion de spin ?
Le spin a été introduit pour rendre compte de la structure fine du spectre de l'hydrogène. Même en l'absence de perturbations extérieures, on observe une ou plusieurs transitions d'énergies très voisines alors que la théorie ne tenant compte que des nombres quantiques n, l et m ne permet de prévoir qu'une seule énergie de transition.
n : nombre quantique principal,
l : nombre quantique azimutal (tel que l < n-1 ou l = n-1),
m : nombre quantique magnétique (tel que -l < m < l ou m = l ou m = -l)
Cette structure fine du spectre de l'hydrogène s'explique par l'existence d'un moment cinétique propre à l'électron appelé SPIN.
Ce moment est analogue à celui qui résulterait de la rotation sur elle-même d'une particule de dimension nulle, d'où son nom de spin qui signifie rotation en anglais.
Le spin associe à la rotation de la charge de l'électron (moment cinétique) une propriété magnétique induite. De la même façon, le proton (noyau d'hydrogène) a un comportement analogue, modifié par la nature de la charge (positive) et la nature de la particule. Le neutron pour sa part a également un spin mais pas de charge. Dans les trois cas précédents : électron, proton et neutron, le spin est de \(\frac{1}{2}\). Il existe donc pour ces particules deux états magnétiques distincts \(m = +\frac{1}{2}\) et \(m = -\frac{1}{2}\).
Finalement, rappelons que la description de l'électron de l'atome d'hydrogène par la mécanique quantique fait intervenir des états stationnaires caractérisés par quatre nombres quantiques. Ces nombres quantiques sont reliés aux propriétés de l'électron.
Valeurs | Nombres quantiques | Signification |
|---|---|---|
n (1, 2...) | principal | désigne les couches K, L, M, N... |
l (0, 1, ..., n-1) | azimutal | définit les sous-couches s, p, d... |
ml (-l, ..., l-1, l) | magnétique | définit la partie angulaire de l'orbitale |
ms (-1/2, +1/2) | magnétique de spin | définit "l'état de spin" |
Le noyau de l'atome d'hydrogène est constitué d'un seul proton. Son spin I (dit spin nucléaire) est égal à celui du proton, \(I = \frac{1}{2}\) ce qui correspond à deux valeurs du nombre magnétique de spin \(m_s=±\frac{1}{2}\). Pour des atomes plus lourds que l'hydrogène, le spin nucléaire I peut avoir une valeur multiple de \(\frac{1}{2}\) ou peut être nul (cas des noyaux pour lesquels A et Z sont pairs).
Soit Z le numéro atomique (le nombre de protons ou d'électrons), N le nombre de neutrons, A = Z + N le nombre de masse et I le spin nucléaire.
A impair | I est un demi entier | \(\mathrm{I=\frac{1}{2}~^1H,~^{19}F,~^{13}C,~^{31}P}\) \(\mathrm{I=\frac{3}{2}~^{11}B,~^{23}Na}\) \(\mathrm{I=\frac{5}{2}~^{17}O,~^{27}Al}\) |
A pair et Z impair | I est un entier | \(\mathrm{I=1~^{2}H,~^{14}N}\) \(\mathrm{I=3~^{10}B}\) |
A pair et Z pair | I est nul | \(\mathrm{I=0~^{12}C,~^{16}O}\) |