Etude de la conversion de spin nucléaire de l'eau en matrices de gaz rares : mesures, modélisation de l'influence des interactions spin-spin intermoléculaires et contexte astrophysique

par Cédric Pardanaud

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Luce Abouaf-Marguin.

Soutenue en 2007

à Paris 6 .


  • Résumé

    The aim of the present work, both experimental and theoretical, is to identify some relevant parameters involved in the nuclear spin conversion of water molecules trapped in rare gas matrices. In such media, an enrichment of ortho or para nuclear spin isomers is obtained by a very fast change of the temperature of the sample. Then, FTIR spectra recorded successively in the 2 and 3 vibrationnal modes of water, allow a measurement of the nuclear spin conversion time. By varying water dilution in argon matrix (from [Ar/H2O]=5000 to 50) at 4,2 K, we show that two types of conversions are present. For dilutions higher than 1000, the conversion time (~670 minutes) is independent of water dilution. We show that this is not due to unwanted effects. It is then due to an intramolecular coupling process, accelerated by the matrix. On the other hand, below a dilution of 1000, a strong acceleration of the conversion is observed (conversion time of ~180 minutes, at a dilution of 50). This acceleration of conversion is clearly of intermolecular origin. We have developed a model based on intermolecular nuclear spin (of protons) magnetic interactions and energy exchange with the matrix. In this model, the conversion depends on the energy difference between the lowest rotational levels and on a collisional relaxation rate of the molecule with the matrix atoms. Intermolecular conversion at 4,2 K is allowed via a conversion channel between the two first rotational levels of the molecule. The presence of a second channel, that is consistent with the acceleration of the intermolecular conversion when increasing temperature, is found to be due to a population effect

  • Titre traduit

    Nuclear spin conversion of water molecules trapped in rare gas matrices : experimental study, intermolecular spin-spin interactions modelling and astrophysical context


  • Résumé

    Ce travail expérimental vise à identifier, en amont d’une étude dans les glaces cométaires, certains paramètres impliqués dans la conversion de spin nucléaire de H2O isolée dans des environnements plus simples : les matrices de gaz rare. La mesure du temps de conversion se fait à partir de l’enregistrement dans le temps des spectres infrarouges ro-vibrationnels des modes 2 et 3, au moyen d’un spectromètre IR par transformée de Fourier. L’étude systématique en fonction de la concentration réalisée à 4,2 K en matrice de néon, argon, krypton et xénon montre qu’il existe deux régimes de conversion. Pour des dilutions [Ar/H2O] supérieures à 1000, les temps de conversion (~670 minutes) sont indépendants de la concentration et atteignent un plateau. Cette conversion, qui n’est pas imputable à des effets parasites, est sans doute due à un processus d’origine intramoléculaire, accéléré par la matrice. Par contre, en dessous du 1000ème, une accélération très nette de la conversion avec l’augmentation de la concentration est observée (~180 minutes au 50ème), indiquant clairement une origine intermoléculaire. Nous avons développé un modèle faisant intervenir des interactions magnétiques entre les spins nucléaires des protons appartenant à des molécules d’eau différentes, et des échanges d’énergie avec les phonons de la matrice. Ce modèle autorise la conversion d’origine intermoléculaire à 4,2 K en ouvrant un canal de conversion couplant le premier niveau de rotation de chacun des isomères de spin. L’existence d’un deuxième canal, plus efficace d'un ordre de grandeur à 25 K, dû à un effet de population, explique l'accélération observée à température croissante

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Informations

  • Détails : 1 vol. (252 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 249-252. 147 réf. bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie. Section Biologie-Chimie-Physique Recherche.
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  • Cote : T Paris 6 2007 248
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