7.2: Noyaux atomiques : spin nucléaire

Toutes les particules atomiques possèdent un moment cinétique intrinsèque, ou « spin ». Les électrons, les protons et les neutrons ont chacun une valeur de spin de ½, bien que les protons et les neutrons dans les noyaux puissent avoir des spins demi-entiers plus élevés en raison de facteurs énergétiques.

Les noyaux atomiques ont un spin nucléaire net, CoreOrgo italic i, qui peut avoir une valeur entière ou semi-entière. Dans les noyaux atomiques, les spins des protons sont appariés les uns aux autres mais pas avec les neutrons, et vice versa. Par conséquent, un nombre pair de protons ne contribue pas à la valeur du spin nucléaire, et il en va de même pour les neutrons.

Les noyaux de carbone 12 et d'oxygène 16 contiennent un nombre pair de protons et de neutrons et ont un spin nucléaire net de zéro (CoreOrgo italic i = 0). Lorsque le noyau contient un nombre impair de protons (par exemple le protium) ou de neutrons (par exemple le carbone 13), le spin nucléaire est un demi-entier en raison du nucléon non apparié. Un noyau contenant un nombre impair de neutrons et de protons a un spin entier non nul. Tous les noyaux avec des spins non nuls sont actifs en RMN.

Les noyaux dont les valeurs de spin sont supérieures à ½ sont appelés noyaux quadripolaires. Plus des deux tiers des noyaux naturels actifs en RMN sont quadripolaires (les exemples incluent l'azote-14, l'oxygène-17, le soufre-33, le bore-11 et le chlore-35). Les noyaux quadripolaires ont une distribution de charge non sphérique conduisant à des champs électriques et magnétiques asymétriques qui se traduisent par des signaux larges et un comportement RMN complexe. Par conséquent, les noyaux à demi-spin, avec une distribution de charge sphérique et des champs symétriques, sont préférés pour les études RMN.

Toutes les particules atomiques possèdent un moment angulaire intrinsèque, ou « spin ». Les électrons, les protons et les neutrons ont chacun une valeur de spin de moitié.

Contrairement aux électrons, les protons et les neutrons dans les noyaux peuvent avoir des spins plus élevés, mais les valeurs sont toujours des demi-entiers.

Toutes les particules d’un noyau contribuent au spin nucléaire global, I.

Dans les noyaux, les protons s’apparient aux protons, et les neutrons s’apparient aux neutrons. Les particules appariées contribuent à zéro spin net au noyau. Ainsi, un noyau de spin non nul a au moins une particule non appariée.

Si le nombre de protons ou de neutrons est impair, le spin nucléaire est un demi-entier en raison du proton ou du neutron non apparié.

De même, si le nombre de neutrons et de protons est impair, le spin nucléaire est un entier non nul.

Même si tous les noyaux avec des spins non nuls sont actifs par RMN, les noyaux de demi-spin - avec une distribution de charge sphérique et des champs symétriques - sont préférés pour les études RMN.