Augmentation de la polarisation nucléaire dans les liquides et gaz adsorbés sur un charbon. Extension aux solides contenant des impuretés paramagnétiques

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Submitted on 1 Jan 1958

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Augmentation de la polarisation nucléaire dans les liquides et gaz adsorbés sur un charbon. Extension aux

solides contenant des impuretés paramagnétiques

J. Uebersfeld, J.L. Motchane, E. Erb

To cite this version:

J. Uebersfeld, J.L. Motchane, E. Erb. Augmentation de la polarisation nucléaire dans les liquides et gaz adsorbés sur un charbon. Extension aux solides contenant des impuretés paramagnétiques. J.

Phys. Radium, 1958, 19 (11), pp.843-844. �10.1051/jphysrad:019580019011084300�. �jpa-00235946�

843.

AUGMENTATION DE LA POLARISATION NUCLÉAIRE

DANS LES LIQUIDES ^{ET GAZ} ADSORBÉS SUR UN CHARBON.

EXTENSION AUX SOLIDES CONTENANT DES IMPURETÉS PARAMAGNÉTIQUES

Par J. UEBERSFELD, ^{J. L.} MOTCHANE, ^E. ERB,

Faculté des Sciences de Besançon ^{et École} Supérieure ^de Physique ^et Chimie de Paris.

Résumé.

Un nouveau phénomène (différent ^{de l’effet} Overhauser) d’augmentation ^{de la} polarisation ^nucléaire par double résonance est décrit.

1° Dans une première expérience ^{on adsorbe un} liquide ou un gaz ^sur du charbon : le charbon contient des centres paramagnétiques qui ^{sont en} surface ^et qui ^sont susceptibles d’interagir ^avec

les moments magnétiques des noyaux des liquides ^ou gaz adsorbés.

On observe le signal de résonance nucléaire du noyau d’hydrogène ^{dans le} liquide (benzène ^ou

.

toluène) ou le gaz ^Le signal de résonance nucléaire ^{(ammoniac ou} hydrogène sulfuré) est augmenté ^{sans dans inversion un} champ magnétique ^de population (augmentation H0

³ 000 gauss. ^de

l’absorption) lorsqu’on applique ^un champ magnétique d’hyperfréquence ^de fréquence 03BDe

03BDN où 03BDe et _03BDN sont respectivement ^les fréquences ^{de résonance} magnétique ^des spins électroniques ^du

charbon et des spins nucléaires du proton du fluide adsorbé.

Le signal de résonance nucléaire est augmenté ^{avec inversion de} population (émission stimulée)

si la fréquence ^du champ d’hyperfréquence ^{est 03BDe} + 03BDN.

2° L’effet se produit aussi avec des solides puisqu’il ^subsiste lorsqu’on gèle le benzène adsorbé sur le charbon et qu’il ^se produit également pour les noyaux de substances solides préalablement

irradiées pour les doter de ^centres paramagnétiques.

3° Les accroissements obtenus jusqu’ici ^ont été de l’ordre de 20 (avec un champ d’hyperfré-

quence de l’ordre d’une fraction de gauss) ^{mais le facteur} théorique ^{est 660} pour le proton ^{car la} polarisation maximum que l’on peut ^atteindre correspond ^{au facteur} gyromagnétique ^de l’électron.

Abstract.

A new effect (different from the Overhauser effect) for enhancement of nuclear pola-

rization by ^{double resonance} is described.

1° We first adsorb a liquid ^or gas ^on carbon : carbon contains paramagnetic ^{centers on its}

surface that can interact with the nuclear spins of adsorbed liquid ^or gas.

The proton signal is observed in the liquid (benzene ^or toluene) ^or the gas (ammoniac ^or hydrogen sulphide) ^{in a} magnetic ^field H0

^{3 000} gauss.

The nuclear resonance signal is increased without population ^inversion (absorption increases)

when we apply the microwave frequency ^03BDe

03BDN ^where 03BDe and 03BDN ^are the electronic and the nuclear

resonance frequencies.

The nuclear resonance signal is increased with population ^inversion (stimulated emission) ^if

the applied frequency ^is 03BDe + 03BDN.

2° The same effect exists with solids since it is also obtained when the adsorbed benzene is frozen,

or with solids that have been irradiated ^to produce paramagnetic ^centres.

3° The enhancements obtained so far are of the order of 20 (with ^a microwave field of a fraction of

a gauss) ^{for a} theoretical factor of 660 for protons, the ^maximum polarization attainable correspond- ing ^to the electron gyromagnetic ^factor.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^{ET LE RADIUM TOME} 19, ^NOVEMBRE 1958,

1° Position du problème.

^{Dans nos recherches}

antérieures nous avons montré que les charbons

possédaient ^une concentration en centres para-

magnétiques relativement importante, que par ailleurs ces centres paramagnétiques ^{se trouvaient}

situés principalement ^{à la surface} du charbon [1]

et que l’oxygène ^de l’air ainsi que ^tous les gaz

paramagnétiques élargissaient ^la raie de résonance

électronique ^{de ces centres. Nous avons donc} pensé qu’inversement ^{les centres} paramagnétiques ^du

charbon devaient être susceptibles d’interagir ^avec

les moments magnétiques des noyaux de liquides

ou de _gaz adsorbés sur le charbon. Le but de nos

expériences était donc d’observer un effet Over- hauser sur la résonance nucléaire des protons ^dans

des fluides hydrogénés ^{adsorbés sur le charbon} (benzène, toluène, ammoniac, hydrogène sulfuré).

Comme ^nous le ^verrons _{par la} suite ^nous avons

obtenu un nouvel effet qui n’est pas l’effet Over- hauser mais qui permet d’augmenter ^considé-

rablement les signaux de résonance nucléaire.

2° Appareillage.

^{Pour effectuer des} expé-

riences de double résonance électronique ^et nucléaire, ^{dans un} champ d’environ 3 000 gauss, il faut appliquer ^{à la substance étudiée, d’une} part

un champ d’hyperfréquence ^{de 9 000 MHz} produit

dans, ^une cavité résonnante et un champ ^{de radio-} fréquence d’environ 14 MHz produit par ^une bobine. Nous avons placé ^{la bobine} de résonance nucléaire ’à l’intérieur de la cavité résonnante. Le

problème essentiel était de préserver ^le coefficient de surtension de la cavit é. Nous avons pu y par- venir en utilisant comme cavité résonnante une

cavité cylindrique ^{résonnant dans le mode} TE on et

comme bobine une bobine rectangulaire ^{dont le}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019580019011084300

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grand ^{côté est} parallèle ^{à l’axe de la cavité} [2].

Ainsi la condition d’orthogonalité des conducteurs et des lignes ^de champ électrique ^{est assurée et} par suite le champ électromagnétique dans la cavité

non perturbé. ^Les performances ^{sont les} suivantes :

le coefficient de surtension de la cavité reste supé-

rieur à 5 000 ce qui permet ^{d’obtenir un} champ magnétique d’hyperfréquence ^de 0,5 gapss d’ampli- tude, lorsque la résonance de la cavité est excitée par ^un klystron ^{donnant une} puissance ^d’envi-

ron 100 mW.

La résonance nucléaire est détectée à l’aide d’un

spectromètre ^de Watkins. Le volume d’échantillon admissible est d’environ 1/10 ^{de cm3.}

3° Résultats.

Les charbons _que ^nous utilisons

ont une largeur ^{de raie} comprise ^{entre 4 et} 10 gauss.

(Les ^charbons qui ^{ont une raie fine} comprise

entre 0,2 ^et 4 gauss donnent ^un effet Overhauser normal sur lequel ^{nous ne} voulons pas insister ici.)

Nous avons constaté que ^{si l’on} applique ^un champ d’hyperfréquence ^{dont la} fréquence v ^est égale ^{à ve} (fréquence ^{de résonance des} spins ^élec- troniques du charbon dans le champ appliqué H)

on n’observe aucun effet appréciable ^{sur le} signal

de résonance nucléaire (fréquence ^vN dans le même

champ H). ^{Par contre si la} fréquence v ^du champ

d’hyperfréquence appliquée ^est égal ^{à ve rb vN on}

observe un effet ^sur la résonance nucléaire [3], [4] :

si v _{= v,,} - vN le signal d’absorption ^{nucléaire est} augmenté. ^{Autrement dit la} différence de _popu- lation entre les deux sous-niveaux Zeeman nucléaires (dans ^{le cas d’un} spin 1/2) ^est augmentée,

le niveau le plus ^{bas restant le} plus peuplé. ^Au

contraire si la fréquence ^du champ d’hyperfré-

quence appliquée ^{est ve + vN il y a} accroissement

FIG. 1. FIG, 2.

de la différence de population du sous-niveau Zeeman mais avec inversion de population. ^Le

sous-niveau supérieur ^{est alors le} plus peuplé. ^Le signal ^{de résonance nucléaire se traduit non} plus

comme une absorption ^{mais comme} une émission stimulée. L’absorption et l’émission sont montrées

sur les figures ^{1 et 2.}

L’explication théorique ^du phénomène ^{est la sui-}

vante [5] : ^en appliquant ^le champ ^de fréquence

v

ve ± vN ^on force les transitions àM = + 1 ^et Arn = + 1 transitions qui normalement sont inter-

dites lorsqu’il n’y ^a pas (interaction entre sapins électroniques ^et nucléaires.

sont les nombres quantiques, magnétiques, ^élec- troniques ^et nucléaires. Si le champ d’hyperfré-

quence ^{est assez} fort et si les mécanismes de rela- xation des spins électroniques ^{sont assez} énergiques

pour que les populations des sous-niveaux Zeemann électroniques ^{soient celles de} Maxwell -Boltzmann,

on obtient n + in - = ± e- AlkT ^{où n+ et n- sont}

les populations des sous-niveaux Zeeman nucléaires

correspondant ^{à m}

+ 1/2 ^{et m} = - 1/2 ^res- pectivement ^{et A} l’énergie ^Zeeman électronique.

On voit donc que l’on peut espérer ^{de cette méthode}

le même accroissement que celui donné par l’effet Overhauser normal soit _Ye JyN, ye et Ys étant les

rappQrts gyromagnétiques de l’électron et du noyau

(Dans ^{le cas du} proton Ye/YN

660.)

Du point ^{de vue de la résonance} magnétique électronique ^des charbons, ^{il faut noter} que ^cette méthode ouvre des perspectives intéressantes pour l’étude de l’origine ^{de la} largeur ^{de raie} électronique (élargissement homogène ^et inhomogène).

4° Extension au solide.

Le phénomène ^décrit précédemment ^{ne se} produit pas dans les solutions

qui ^{donnent l’effet} Overhauser normal, par ^contre il se produit ^{dans les} solides ainsi que nous avons pu le vérifier de plusieurs ^manières.

1) ^{Nous avons} gelé ^le benzène adsorbé en plon- geant l’échantillon dans l’azote liquide ; ^{nous avons}

pu alors ^constater que si la largeur de la raie de résonance nucléaire du benzène était accrue (raie ^de solide) ^le phénomène précédemment décrit restait

inchangé quant ^{à ces} caractéristiques.

2) ^Les protons des corps solides dans lesquels

on a introduit des centres paramagnétiques ^{tels que}

par exemple ^les corps organiques ^{irradiés par des}

rayons y donnent le même effet.

5° Conclusion.

Les résultats _que ^{nous avons} décrits ci-dessus ouvrent une perspective ^intéres-

sante à la fois pour l’étude de la résonance nucléaire

puisqu’elle permet d’augmenter considérablement les signaux de résonance nucléaire dans les fluides adsorbés sur un charbon ou dans les solides.

D’autre part la méthode ouvre une nouvelle voie pour l’étude ^des phénomènes d’adsorption ^des liquides ^{et des gaz sur le charbon.}

BIBLIOGRAPHIE [1] UEBERSFELD (J.), Thèse, Paris, 1955.

[2] ^MOTCHANE (J. L.), ^ERB (E.) ^et UEBERSFELD (J.), ^{C. R.}

Acad. Sc., 1958, 246,1833.

[3] ^ERB (E.), ^MOTCHANE (J. L.) ^et UEBERSFELD (J.), ^{C. R.}

Acad. Sc., 1958, 246, ^2121.

[4] ^ERB (E.), ^{MOTCHANE (J. L.) et} UEBERSFELD (J.), ^{C. R.}

Acad. Sc., 1958, 246, ^3050.

[5] ^ABRAGAM (A.) ^{et PROCTOR} (W. G.), C. R. Acad. Sc.,

1958, 246, 2253.