I- Magnétisme nucléaire
1/ Rappel: Champs
magnétique – Électricité
l Courant
électrique = déplacement d’électrons de charges négative.
l Un courant
électrique dans un fil conducteur induit une force magnétique ou champs
magnétique.
l De même un
champs magnétique en mouvement engendre un courant électrique.
A- Le physicien Oersted a mis en
évidence en 1820 qu'un courant
électrique
produit un champ
magnétique : si l'on place une
boussole
a proximité d'un fil où
circule un courant électrique, celle-
(B)
ci s'oriente a 90°par rapport au fil
conducteur (dans l'axe du champ
magnétique induit par le courant).
B - A l'inverse un aimant peut servir
à
produire
un courant électrique. Le
physicien français Michel Faraday
l’a prouvé quelques années après
en 1831, en
introduisant un
barreau aimanté dans une bobine
(A) conductrice.
Expérience de Oersted et Faraday
2/ Application au noyau
atomique :
l Le noyau de
l’atome est constitué d’un certain nombre de protons et neutrons (nucléons)
l Les nucléons
sont animés d’un mouvement collectif complexe comportant en particulier une
rotation individuelle autour d’un axe passant par leur propres centres
l Une particule
qui tourne induit autour d’elle un moment cinétique ou « spin » aligné
sur son axe de rotation (représenté par un vecteur s)
l En anglais:
tourner sur soi-même = to spin
l Les protons sont
chargés positivement
l Une charge qui
tourne induit autour d’elle un champs magnétique appelé moment magnétique (lié
au moment cinétique et aligné sur son axe de rotation)
l 
Ce moment magnétique est représenté par
un vecteur d’aimantation μ.
Ce moment magnétique est représenté par
un vecteur d’aimantation μ.
l Les neutrons,
bien qu’électriquement neutres, possèdent également un moment magnétique.
l Les nucléons
(neutrons et protons) sont constitués de sous particules positives et négatives
en rotation: les quarks.
l Cette rotation
va induire un moment magnétique pour chaque quark
l La résultante
globale du moment magnétique du neutron est environ égale au 2/3 de celui du
proton.
l Au sein du noyau
de l’atome, les moments magnétiques des neutrons d’une part et des protons
d’autre part s’annulent deux par deux.
l De ce fait, seul
les atomes à nombre impair de nucléons possèdent un moment magnétique « total »
l Les principaux
noyaux possédant des propriétés magnétiques sont les noyaux
o d’hydrogène
(1H),
o de l’isotope du
carbone (13C ),
o du fluor (19F ),
o du phosphore
(31p), et
o du sodium
(23Na).
l Seul le noyau
d’hydrogène, formé d’un seul proton, joue un rôle important en imagerie
aujourd’hui: on parle d’IRM « protonique »
l Ceci est lié au
fait que l’hydrogène
o Représente 2/3
des atomes de l’organisme
o Possède un
moment magnétique intrinsèque élevé
o Donne lieu à un
phénomène de résonance très net
l 
Le moment magnétique intrinsèque de
l’hydrogène est représenté par un vecteur d’aimantation « microscopique » μ
aligné
sur son axe de rotation (lié au moment cinétique s)
Le moment magnétique intrinsèque de
l’hydrogène est représenté par un vecteur d’aimantation « microscopique » μ
aligné
sur son axe de rotation (lié au moment cinétique s)
l Ce moment
magnétique apparaît parce que le proton porte une charge positive et tourne sur
lui-même.
l Le proton peut
donc être assimilé à un petit aimant (dipôle magnétique) avec un pôle nord et
un pôle sud.
3/ A retenir :
l Réciprocité
entre magnétisme et charge électrique en mouvement
l Noyau
d’hydrogène = proton
l Protons en
rotation → moment magnétique aligné sur son axe de rotation (relié au spin) → vecteur
d’aimantation μ
l Protons = petits
aimants
l IRM du proton
II-
Le phénomène de résonance magnétique
Introduction :
Nous verrons au chapitre
suivant que, placés dans un champ magnétique externe, les protons vont avoir
tendance à s’orienter dans la direction de ce dernier avec deux orientations
possibles…..
1/ La résonance
magnétique nucléaire :
l Elle consiste à
étudier les modifications d’aimantation des noyaux d’une substance sous
l’action conjointe de deux champs magnétiques:
o Un champs
magnétique statique fixe élevé (B0) et
o Un champs
électromagnétique tournant (B1) = onde électromagnétique où de radiofréquence.
l 
Le noyau d’hydrogène (constitué d’un
proton) en tournant autour de lui-même induit un moment magnétique élémentaire
microscopique représenté par un vecteur d’aimantation μ.
Le noyau d’hydrogène (constitué d’un
proton) en tournant autour de lui-même induit un moment magnétique élémentaire
microscopique représenté par un vecteur d’aimantation μ.
l Placés dans un
champ magnétique externe B0, les protons vont s’orienter dans la direction de
ce dernier.
l Les protons vont
se distribuer en deux populations tournant autour de B0 avec un certain angle
(précession):
o L’une orientée
dans le sens de B0 (parallèle) et
o L’autre dans le
sens contraire à B0 (antiparallèle)
2/ Deux
modèles
Modèle
classique:
permet de mieux comprendre le phénomène à l’échelle macroscopique. Modèle
quantique:
étudie le phénomène à l’échelle de l’atome, indispensable pour comprendre les
phénomènes de relaxation.
a- Modèle
classique :
En l’absence d’un champ magnétique externe, les protons d’un échantillon
tissulaire sont orientés de façon aléatoire en tous sens
Þ La somme des
vecteurs d’aimantation élémentaire Σμ est
nulle
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