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.

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

• Kernspin im Magnetfeld und HF-Feld – dargestellt in einer interaktiven Animation