Etats quantiques magnétiques

Pour une particule ou un noyau placé dans un champ magnétique, les états de spin sont quantifiés, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent prendre qu'un nombre précis de valeurs qui sont définies par un nombre quantique magnétique de spin \(m_s\).

Les valeurs possibles du nombre quantique magnétique de spin d'une particule ou d'un noyau de spin égal à I sont \(m_s = -I, -I+1,... 0, ..., I-1, I\).

Le nombre d'états stationnaires distincts est donc égal à \(2\times I+1\).

Pour un noyau dépourvu de spin, donc I=0, tels que \(\textrm{}^{12}\textrm C\) et \(\textrm{}^{16}\textrm O\), il n'y a qu'un seul état stationnaire possible. Dans ce cas, la R.M.N. n'est pas applicable.

Pour les particules et noyaux de spin \(I=\frac{1}{2}\), tels que l'électron, le proton \(\textrm{}^1\textrm H\), les noyaux \(\textrm{}^{13}\textrm C\), \(\textrm{}^{19}\textrm F\) ou \(\textrm{}^{31}\textrm P\), il y a deux états stationnaires possibles qui correspondent aux deux valeurs du nombre quantique magnétique de spin \(m_s=+\frac{1}{2}\) et \(m_s=-\frac{1}{2}\). C'est la situation idéale pour l'étude en R.M.N.

Pour les noyaux de spin \(I=1\), tels que celui du deutérium \(\textrm{}^2\textrm H\) ou le lithium \(\textrm{}^6\textrm{Li}\), les valeurs possibles de \(m_s\) sont -1, 0 et +1. Il y a donc trois états stationnaires distincts. Et ainsi de suite...

Ainsi, pour les deux noyaux fondamentaux de la chimie organique, \(\textrm{}^{12}\textrm C\), \(\textrm{}^{16}\textrm O\), faute de spin nucléaire (\(I=0\)), nous ne pourrons observer de phénomène de RMN. Ces deux atomes ont cependant des isotopes naturels ayant un spin nucléaire non nul

  • le \(\textrm{}^{13}\textrm C\) de spin \(\frac{1}{2}\) est peu abondant dans la nature mais il offre des signaux RMN de qualité comparable à ceux de la RMN du proton 1H

  • le \(\textrm{}^{17}\textrm O\) de spin \(\frac{5}{2}\) moins abondant que le \(\textrm{}^{13}\textrm C\) dont l'observation conduit à des raies spectrales très larges et peu exploitables.