Kernspin


Kernspin

Der Kernspin (auch Richtungsquantenzahl) gibt den Gesamtdrehimpuls eines Atomkerns an. Untersuchungen des Kernspins sind wichtig zum Verständnis des Aufbaus von Atomkernen. Praktisch werden sie zur chemischen Analyse und für medizinische Untersuchungen eingesetzt.

Der Kernspin wird durch den Spin der Kernbausteine (Neutronen und Protonen mit jeweils Spin 1/2) und deren Bahndrehimpuls bestimmt. Da der Bahndrehimpuls immer ganzzahlig ist, gilt: Der Kernspin I ist ganzzahlig, wenn die Zahl der Kernbausteine insgesamt gerade ist (z. B. I({}^{14}_7\mathrm{N}) = 1), sonst halbzahlig (z. B. I({}^1_1\mathrm{H}) = 1/2). Kerne mit gerader Neutronen- und gerader Protonenzahl haben in ihrem Grundzustand einen Kernspin von 0 (und damit auch kein magnetisches Moment), da sich die Neutronen bzw. Protonen anscheinend jeweils zu Paaren mit antiparallelem Spin ausrichten. Für Kerne mit ungerader Neutronen- und Protonenzahl wie 14N gilt dies nicht; dies wird damit erklärt, dass da sich das jeweils verbleibende partnerlose Neutron und Proton in voneinander unabhängigen Schalen befinden. Der Kernspin hängt zusätzlich vom inneren Anregungszustand des Kerns ab, unterscheidet sich also i. A. in den verschiedenen Energieniveaus des Kerns.

Beim Kernspin handelt es sich (außer beim leichtesten Kern, dem Proton) nicht um einen Spin im engeren Sinn, da der Atomkern gemäß dem Standardmodell anders als z. B. das Elektron eine innere Struktur besitzt. Die Folge ist, dass das magnetische Moment sogar antiparallel zum Spin ausgerichtet sein kann, etwa beim Isotop 17O. Eine ähnliche Diskrepanz gibt es auch beim Neutron, das ein magnetisches Moment besitzt, obwohl es elektrisch neutral ist.

Inhaltsverzeichnis

Anwendungen

Medizin

Hauptartikel: Magnetresonanztomographie

Die Magnetresonanztomographie oder Kernspintomographie nutzt den Umstand aus, dass im äußeren Magnetfeld die Energie des Kerns davon abhängt, wie der Spin (und das damit verbundene magnetische Moment) zu diesem Feld ausgerichtet ist. Bei Magnetfeldern von 5 Tesla ergibt sich dadurch eine Aufspaltung des Energieniveaus des Grundzustands des Kerns in der Größenordnung von 10−25 J, entsprechend einer Photonenfrequenz in der Größenordnung von 100 MHz (entspricht einer Radiofrequenz im Bereich der Ultrakurzwelle). Entsprechende elektromagnetische Strahlung kann von den Atomkernen absorbiert werden. Ohne die Kernspinresonanz wird Strahlung von dieser Frequenz im Probenmaterial nur geringfügig absorbiert.

Kernspintomographen im medizinischen Einsatz messen in der Regel die Verteilung von Wasserstoff-Atomkernen (Protonen) im Körper. Anders als beim Röntgen können damit Veränderungen im Gewebe zumeist gut sichtbar gemacht werden. Um dreidimensionale Schnittbilder zu ermöglichen, werden inhomogene Magnetfelder verwendet, so dass jeweils nur in einem kleinen Teil des aufgenommenen Gewebes die Resonanzbedingung erfüllt ist.

Strukturanalyse

Bei der chemischen Strukturanalyse per Kernspinresonanzspektroskopie (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) werden hingegen die Effekte beobachtet, die die umgebenden Elektronen und benachbarten Atome auf den Kernspin haben. Beispielsweise erzeugen Elektronen in der Nähe ein zusätzliches Magnetfeld, das das äußere Feld entsprechend verstärkt oder abschwächt. Dadurch verschieben sich die Frequenzen, bei denen die Resonanzbedingung erfüllt ist.

Weblinks


Wikimedia Foundation.

Synonyme:

Schlagen Sie auch in anderen Wörterbüchern nach:

  • Kernspin — Kẹrn|spin 〈m. 6〉 Gesamtdrehimpuls eines Atomkerns * * * Kẹrn|spin [↑ Spin] Formelzeichen: (K. Quantenzahl:) I: Kurzbez. für den Kernspin Gesamtdrehimpuls, der sich aus den Eigendrehimpulsen u. Bahndrehimpulsen der Nukleonen zusammensetzt. Das… …   Universal-Lexikon

  • Kernspin — branduolio sukinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. nuclear spin vok. Kerndrall, m; Kerndrehimpuls, m; Kernspin, m rus. спин ядра, m; ядерный спин, m pranc. spin nucléaire, m …   Fizikos terminų žodynas

  • Kernspin — Kẹrn|spin 〈m.; Gen.: s, Pl.: s〉 Gesamtdrehimpuls eines Atomkerns …   Lexikalische Deutsches Wörterbuch

  • Kernspin — Kern|spin der; s, s: Gesamtdrehimpuls (vgl. ↑Spin) eines Atomkerns …   Das große Fremdwörterbuch

  • Kernspin-Computertomographie — Kernspin Computertomographie,   Computertomographie …   Universal-Lexikon

  • Kernspin-Resonanz — Ein 300 MHz NMR Spektrometer Die Kern(spin)resonanzspektroskopie (NMR Spektroskopie von engl. nuclear magnetic resonance) ist eine spektroskopische Methode, welche die Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und der… …   Deutsch Wikipedia

  • Kernspin-Tomographie — magnetinio rezonanso tomografija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Tomografija, kurios principas pagrįstas magnetiniu branduolių rezonansu. atitikmenys: angl. magnetic resonance tomography vok. Kernspin Tomographie, f;… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • Kernspinresonanzspektroskopie — Der Magnet eines 300 MHz NMR Spektrometers Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR Spektroskopie von englisch nuclear magnetic resonance) ist eine spektroskopische Methode zur Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und der… …   Deutsch Wikipedia

  • DOSY — Ein 300 MHz NMR Spektrometer Die Kern(spin)resonanzspektroskopie (NMR Spektroskopie von engl. nuclear magnetic resonance) ist eine spektroskopische Methode, welche die Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und der… …   Deutsch Wikipedia

  • Diffusion Ordered Spectroscopy — Ein 300 MHz NMR Spektrometer Die Kern(spin)resonanzspektroskopie (NMR Spektroskopie von engl. nuclear magnetic resonance) ist eine spektroskopische Methode, welche die Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und der… …   Deutsch Wikipedia


Share the article and excerpts

Direct link
Do a right-click on the link above
and select “Copy Link”

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.