Expérience à réaliser à la maison : Alignez les noyaux atomiques dans votre main. Matériel nécessaire : un magnet (comme ceux que l'on met sur les réfrigérateurs). Procédure : placez le magnet sur votre main. Bravo ! Vous avez réussi ! C'est simple, mais pas très spectaculaire. |
La seconde étape d'une mesure RMN consiste à mettre tout ce petit monde en mouvement. Pour ce faire, il suffit d'appliquer un autre champ magnétique, qui rentre en résonance avec le mouvement nucléaire.
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Le champ magnétique oscillant appelé B1 est perpendiculaire au champ de l'aimant permanent, B0. |
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Après quelques instants, les noyaux sont excités afin de les faire pivoter dans le plan perpendiculaire au champ B0.
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C'est un peu comme si vous alliez vers l'enfant paresseux sur sa balançoire et que vous le poussiez. Sans vous limiter à une seule impulsion, mais en le poussant doucement, plusieurs fois, de façon à ce qu'il arrive au sommet de l'arc de cercle décrit par la balançoire. Ce mouvement régulier d'avant en arrière pouvant être amplifié par de brèves impulsions est appelé résonance. Pour les noyaux, c'est la même chose. Vous devez leur donner des impulsions pour qu'ils dévient du gros aimant.
 Parce qu'il tourne sur lui-même, le noyau se comporte comme un gyroscope. Lorsqu'un gyroscope est orienté directement vers le champ gravitationnel de la terre, il tourne sur lui-même. Mais s'il est dévié, il entre dans un mouvement orbital appelé précession. La vitesse de précession, qui est beaucoup plus lente que la vitesse de rotation, dépend de la taille et de la forme du gyroscope, de sa vitesse de rotation et de la pesanteur.
Lorsqu'un noyau est dévié du fort champ magnétique, il y a également précession. La vitesse de précession dépend des propriétés du noyau (vitesse de rotation, etc.) et de la force du champ magnétique, ce qui est très similaire au gyroscope. Comme ces propriétés restent toujours constantes, tout ce que nous devons connaître, c'est la force du champ magnétique pour pouvoir mesurer avec précision la fréquence de précession. Cela équivaut à la fréquence des impulsions que nous devons donner pour que le noyau se détourne du champ magnétique principal et qu'il y ait ainsi précession. Les impulsions proviennent d'un second champ magnétique qui varie dans le temps à la même fréquence que la précession, c'est-à-dire en résonance avec le mouvement nucléaire. (Résonance . . . magnétique . . . nucléaire : est-ce que c'est plus clair à présent ?)
Après avoir poussé l'enfant paresseux sur sa balançoire, il continuera à se balancer pendant un certain temps après que vous avez arrêté de le pousser. Les noyaux se comportent exactement de la même façon. Tout ce dont ils ont besoin, c'est d'une brusque rafale d'ondes radio, pendant environ 10 microsecondes (eh oui, vous avez bien lu, microsecondes) pour qu'ils puissent se déplacer pendant plusieurs secondes.
Pouvez-vous citer... un type de champ magnétique qui envoie des impulsions vers des noyaux à intervalles réguliers ? Réponse : les transmissions radio. Les instruments RMN sont équipés du même type de circuits électroniques que les stations radio. Certains équipements RMN utilisent la même fréquence que la radio FM, entre 88 et 108 mégahertz (88 à 108 millions de cycles par secondes). |
Même si vous fermez les yeux, vous savez pertinemment que l'enfant sur la balançoire se balance toujours. Comment ? Parce qu'il hurle à présent !
Eh bien, les noyaux magnétiques se comportent de façon identique. Tant qu'ils ne sont pas alignés avec le gros aimant, et qu'ils sont donc en déséquilibre, ils émettent des ondes radio. Chaque noyau réagit comme une station radio miniature. En effet, une partie de l'équipement RMN joue le rôle d'un récepteur radio qui capte l'énergie des noyaux en mouvement. Le premier appareil RMN a été fabriqué avec de vieux radars de la seconde guerre mondiale, qui étaient dotés d'un émetteur et d'un récepteur radio.
Après avoir poussé l'enfant paresseux sur sa balançoire, il continuera à se balancer pendant un certain temps après que vous avez arrêté de le pousser. Mais il n'est pas content. Son équilibre a été rompu et il est énervé (état de « haute énergie »), ce qui est contraire à sa nature. After a while the swing will slow down for a variety of reasons — friction with the air and in the joints where the swing attaches to its supporting structure. Mais l'enfant, qui veut s'arrêter plus rapidement, laisse traîner ses pieds pour ralentir le mouvement jusqu'à ce qu'il soit enfin à l'arrêt, immobile et heureux.
Le noyau est comme l'enfant. Vous pouvez le mettre en mouvement avec des ondes radio et il continuera à bouger un moment, même après avoir éteint l'émetteur. Cependant, il n'est pas « satisfait ». Il lui faut trouver un moyen de retrouver lentement son équilibre, de s'orienter vers le champ de l'aimant permanent dans l'outil RMN.
Mais, attendez une seconde. Les noyaux n'ont pas de pieds... Alors, comment font-ils pour ralentir ?
 Pour perdre de l'énergie et retrouver leur équilibre, les noyaux ont différentes solutions. La première méthode, si le noyau est dans une molécule de liquide comme de l'eau, consiste à venir heurter une surface solide. Chaque fois que la molécule heurte une surface solide, le noyau a une chance de se réaligner par rapport au fort champ magnétique. C'est ce qu'on appelle le phénomène de . . . relaxation. Vous voyez, même les noyaux aiment se relaxer.
Lorsque les pores sont plus larges, les molécules des fluides ont plus de place pour se mouvoir sans se cogner contre les parois ; les collisions sont alors moins fréquentes. Dans le cas d'une roche, la relaxation RMN dépend de la taille des pores : plus les pores sont larges, plus le temps de relaxation RMN est important.
La sensibilité de la RMN à la taille des pores a deux applications fort simples, mais très efficaces. La première est la perméabilité, qui est déterminée par la taille des pores. Plus précisément, la perméabilité est proportionnelle au carré du diamètre des pores ; elle est donc proportionnelle au carré du temps de relaxation RMN. Nous avons vérifié cette relation en effectuant des tests en laboratoire sur des centaines de roches de différente nature.
 La seconde application des données RMN consiste à déterminer la répartition de la taille des pores. Etant donné que les pores d'une roche peuvent avoir des tailles très différentes, leur répartition est également très large. La répartition volumétrique des pores peut en dire beaucoup sur l'histoire de la roche : pour un géologue, c'est encore mieux que l'observation au microscope.
L'alignement, les perturbations et la relaxation sont les notions de base de la RMN. Mais, comme dans tous les domaines scientifiques, ces concepts ne sont que le prélude à une longue histoire, certes compliquée, mais tellement intéressante ! De nombreux prix Nobel ont été décernés dans ces différents domaines d'étude.
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De nombreux noyaux atomiques, mais pas la totalité, peuvent être comparés à de très petits aimants droits dotés d'un pôle nord et d'un pôle sud. Les noyaux tournent à une vitesse constante et leur axe de rotation coïncide exactement avec la ligne passant par les pôles nord et sud.
Alignement des aimants nucléaires
D'ordinaire, les pôles nord des noyaux pointent dans n'importe quel sens. Si rien ne leur est imposé, ils font ce qu'ils veulent. La première étape d'une mesure RMN consiste à aligner les aimants nucléaires à l'aide d'un fort champ magnétique. Pour ce faire, on les regroupe autour d'un gros aimant. Les aimants sont ainsi alignés, et le pôle nord des noyaux pointe vers le pôle sud de l'aimant. Les noyaux magnétiques sont « ravis » lorsqu'ils sont alignés sous l'action d'un champ magnétique. Ils se trouvent alors dans un état stable, que les physiciens appellent équilibre ou état de basse énergie. C'est un peu comme un enfant paresseux assis sur une balançoire, immobile, et qui est tout simplement content de ne rien faire. 
