Études de structure et dynamique des radicaux libres muoniques : radiolyse par faisceaux de muons et spectroscopie µSR

ISIS Pulsed Muon Facility, Rutherford Appleton Laboratory, Chilton Oxfordshire 0X11 0QX, Royaume-Uni.

Résumé

Cet article a trait à l’étude des radicaux libres marqués par le muonium. Ce sont des radicaux organiques dont un atome d’hydrogène est remplacé par le muonium, Mu = µ⁺e^-, celui-ci étant considéré comme l’isotope léger de l’hydrogène. De telles espèces sont formées à la suite de l’irradiation de certains composés non-saturés avec des faisceaux de muons positifs. Elles peuvent être détectées avec une grande sensibilité et sélectivité par la spectroscopie dite µSR, qui utilise le spin du muon comme sonde des interactions hyperfines. L’exemple du radical éthyl, et la comparaison des propriétés de l’espèce substituée CH₂.CH₂Mu avec celles de sa contre-partie CH₂.CH₃, servent à illustrer les possibilités spectroscopiques et à mettre en évidence d’intéressants effets isotopiques qui nous renseignent sur la structure de la molécule. Cet exemple sert aussi à démontrer la facilité avec laquelle les espèces muoniques peuvent être détectées, même en phase gazeuse. Un nouvel exemple est celui du C₆₀Mu, l’adduct muonique du fullerène, qui sert à montrer l’utilité du marquage des radicaux polyatomiques dans des études dynamiques.

Abstract

This article concerns the study of organic radicals which are labelled or substituted by muonium, Mu = µ⁺e^-, the light pseudo-isotope of hydrogen. Such species are formed following the irradiation of certain non-saturated compounds with beams of positive muons. Atomic muonium may be formed during the primary radiolytic processes and then subsequently react by addition with the host molecules, but processes equivalent to protonation can provide an alternative precursor. The radical products are detected with considerable sensitivity and selectivity by µSR spectroscopy, which uses the muon spin as a probe of hyperfine fields. The technique known as level crossing resonance provides a particularly complete characterisation. The example of the ethyl radical, and the comparison of the properties of the substituted species CH₂.CH₂MU with those of its normal counterpart CH₂.CH₃, serve to illustrate the various aspects of such studies. Isotope effects may be traced to the importance of zero-point energy, with surprisingly large effects on structure, and on the distribution of spin-density. Gas phase detection of the muonium substituted species promises to open a significant new field of study. In solid state physics, a topical example is muonium labelling of C₆₀ fullerene, illustrating studies of molecular dynamics.