Chapitre 1 Magnétisme nucléaire

Rappel : champ magnétique – électricité

Le magnétisme et le déplacement d’une charge électrique sont liés l’un à l’autre. Un courant électrique (déplacement d’électrons de charge négative) dans un fil conducteur induit une force magnétique ou champ magnétique. De même, un champ magnétique en mouvement engendre un courant électrique (fig. 1-1).

Fig. 1-1 Expérience d’Œrsted et Faraday.

Le physicien Œrsted a mis en évidence, en 1820, qu’un courant électrique produit un champ magnétique : si l’on place une boussole à proximité d’un fil où circule un courant électrique, celle-ci s’oriente à 90° par rapport au fil conducteur (dans l’axe du champ magnétique induit par le courant) (a). À 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 conductrice (b).

Illustrations issues de l’article de B. Kastler, C. Clair, D. Vetter, R. Allal, B. Favreau, A. Pousse et al. Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire. Encycl Méd Chir (Elsevier SAS, Paris). Radiologie et imagerie médicale : principes et techniques-radioprotection, 35-010-A-10. 2000.

C’est sur ce principe que fonctionne une dynamo de bicyclette : la roue entraîne un aimant tournant sur un axe à l’intérieur d’un solénoïde (bobine de fil conducteur) qui fournit un courant électrique (fig. 1-2). Le moteur électrique fonctionne sur le principe inverse : un courant électrique passe dans un solénoïde induisant un champ magnétique tournant qui entraîne un aimant monté sur un axe. On peut donc admettre une réciprocité entre magnétisme et charge électrique en mouvement.

Fig. 1-2 Principe de fonctionnement d’une dynamo.

L’aimant qui tourne entraîné par la roue fait apparaître dans la bobine un courant électrique.

Application au noyau atomique

Le noyau de l’atome est constitué d’un certain nombre de protons et neutrons (nucléons) animés d’un mouvement collectif complexe comportant en particulier une rotation individuelle autour d’un axe passant par leurs propres centres (en anglais tourner sur soi-même se dit to spin).

Une particule qui tourne induit autour d’elle un moment cinétique¹ ou «spin»², aligné sur son axe de rotation (représenté par un vecteur ). Les protons sont chargés positivement et leur nombre est égal au nombre d’électrons périphériques pour respecter la neutralité électrique de l’atome. Une charge qui tourne, comme nous venons de le voir, induit autour d’elle un champ magnétique appelé moment magnétique (en fait lié au moment cinétique ou spin et également aligné sur son axe de rotation, voir Annexe 1). Ce moment magnétique est représenté par un vecteur d’aimantation (fig. 1-3). Bien qu’électriquement neutres, les neutrons possèdent également un moment magnétique. Cela est lié au fait que les nucléons (les neutrons comme les protons) sont constitués de sous-particules positives et négatives en rotation, les quarks, dont la distribution de charge en rotation va induire un moment magnétique que l’on peut représenter comme un dipôle magnétique (assimilé à un petit aimant avec un pôle positif et négatif) animé d’un mouvement de rotation. En fait, chaque nucléon est constitué de trois quarks liés entre eux par ce qu’on appelle l’«interaction forte». On détermine deux types de quarks :