Tous les noyaux magnétiques possèdent une propriété appelée résonance magnétique nucléaire, ou RMN, lorsqu’ils se trouvent dans un champ magnétique et lorsque certaines autres conditions sont remplies. Une gamme de différents types de technologies ont été développées selon ces principes. Il s’agit notamment de divers types d’imagerie médicale et de spectroscopie.
La résonance magnétique nucléaire repose sur le fait que lorsqu’une impulsion électromagnétique oscillante est appliquée aux noyaux dans un champ magnétique, les noyaux individuels absorbent de l’énergie, puis libèrent cette énergie selon des schémas spécifiques. Le modèle d’absorption et de libération d’énergie dépend de la force du champ magnétique ainsi que de certaines autres variables. En examinant ces modèles, les physiciens sont en mesure d’étudier les propriétés mécaniques quantiques des noyaux atomiques. Les chimistes peuvent utiliser la technologie RMN pour explorer la composition chimique et structurelle des échantillons, et en médecine, la technologie de résonance magnétique nucléaire est la base d’un type d’équipement d’imagerie médicale souvent utilisé.
Toute la technologie RMN repose également sur une propriété appelée spin. Pour déterminer si un noyau atomique donné a un spin, le nombre de nucléons dans l’atome est compté. Le nucléon est le nom collectif donné aux protons et aux neutrons. Si le nombre de protons et de neutrons dans un noyau est un nombre impair, la quantité de spin des noyaux est supérieure à zéro. On dit donc que ce noyau possède la propriété de spin. Tout noyau possédant un spin peut être examiné à l’aide de la technologie RMN.
En spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, une machine appelée spectromètre de résonance magnétique nucléaire est utilisée pour obtenir des informations sur le type, le nombre et la disposition des noyaux dans un échantillon donné. L’analyse d’un spectre RMN par un chimiste, par exemple, peut fournir des informations sur les différents types de produits chimiques présents dans un échantillon, ainsi que la structure des différentes molécules présentes. La spectroscopie RMN a, par exemple, joué un rôle déterminant dans la compréhension de la structure des acides nucléiques et des protéines et fournit également des indices sur le fonctionnement de ces molécules.
La base de l’imagerie par résonance magnétique nucléaire repose sur le fait que la fréquence de résonance des différentes molécules est proportionnelle à la force du champ magnétique qui leur est appliqué. Lorsqu’un échantillon est placé dans un champ magnétique oscillant, les fréquences de résonance des noyaux dans l’échantillon varient en fonction de l’endroit où ils se trouvent dans ce champ. Ces variations peuvent ensuite être utilisées pour construire une image de l’échantillon lui-même.
En médecine, cette technique est communément appelée imagerie par résonance magnétique ou IRM. Cet équipement d’imagerie médicale utilise des champs magnétiques pour aligner les atomes d’hydrogène présents dans l’eau. Étant donné que le corps humain contient une grande proportion d’eau, l’alignement des atomes d’hydrogène de cette manière produit suffisamment d’informations pour construire une image de la structure interne du corps. La possession de spin est un concept important dans cette technologie. En effet, les atomes d’hydrogène, qui ont un spin, réagissent différemment aux champs magnétiques en fonction des autres types de molécules auxquels ils sont liés, et même des types de molécules à proximité desquels ils sont placés.
La technologie RMN a de nombreuses autres applications théoriques et pratiques. Les industries du pétrole et du gaz naturel utilisent la technologie RMN pour faciliter l’exploration de la roche terrestre afin de localiser les gisements de ces combustibles. L’une des utilisations les plus importantes de la technologie RMN dans l’examen des échantillons est qu’elle est effectuée sans détruire l’échantillon. Cela signifie que les tests RMN peuvent être effectués sur des échantillons délicats ou dangereux avec un risque très réduit.