Kernspin

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

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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 ist ganzzahlig, wenn die Zahl der Kernbausteine insgesamt gerade ist, sonst halbzahlig ( z.B. I() = 1 ; I() = 1/2 ). Kerne mit gerader Neutronen- und gerader Protonenzahl haben einen Kernspin von 0, da sich die Neutronen bzw. Protonen anscheinend jeweils zu Paaren mit antiparallelem Spin ausrichten. Dieses gilt nicht für Kerne mit ungerader Neutronen- oder Protonenzahl, da sich das jeweils verbleibende partnerlose Neutron und Proton in voneinander unabhängigen Schalen befinden. Der Spin hängt zusätzlich vom inneren Anregungszustand des Kerns ab.

Beim Kernspin handelt es sich 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.

Anwendungen

Medizin

Die Magnetresonanztomographie oder Kernspintomographie nutzt den Umstand aus, dass im äußeren Magnetfeld die Energie des Kerns davon abhängt, ob der Spin (und das damit verbundene magnetische Moment) parallel oder antiparallel zu diesem Feld ausgerichtet ist. Bei Magnetfeldern von 5 Tesla ergibt sich dadurch eine Aufspaltung der 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 zumeist 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 Kernspinresonanz (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) werden hingegen die Effekte beobachtet, die die umgebenden Elektronen und benachbarten Atome auf den Kernspin haben. Beispielsweise können freie Elektronen in der Nähe ein zusätzliches Magnetfeld erzeugen, das das äußere Feld entsprechend verstärkt oder abschwächt. Dadurch verschieben sich die Frequenzen, bei denen die Resonanzbedingung erfüllt ist.