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Kernspin


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

Der Kernspin wird durch den Spin der Kernbausteine ( Neutronen und Protonen mit jeweils Spin 1/2) und deren bestimmt. Da der Bahndrehimpuls immer ganzzahlig ist Der Kernspin ist ganzzahlig wenn die Zahl Kernbausteine insgesamt gerade ist sonst halbzahlig. Kerne gerader Neutronen- und gerader Protonenzahl haben einen von 0 da sich die Neutronen bzw. anscheinend jeweils zu Paaren mit antiparallelem Spin Dieses gilt nicht für Kerne mit ungerader und Protonenzahl da sich das jeweils verbleibende Neutron und Proton in voneinander unabhängigen Schalen

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

Anwendungen

Medizin

Die Magnetresonanztomografie oder Kernspintomographie nutzt den Umstand aus im äußeren Magnetfeld die Energie des Kerns davon abhängt ob der (und das damit verbundene magnetische Moment) parallel antiparallel zu diesem Feld ausgerichtet ist. Bei von 5  Tesla ergibt sich dadurch eine Aufspaltung der des Grundzustands des Kerns in der Größenordnung 10 -25 J entsprechend einer Photonenfrequenz in der Größenordnung von 100  MHz . Entsprechende Strahlung kann von den Atomkernen werden. Ohne die Kernspinresonanz wird Strahlung von Frequenz im Probenmaterial nur geringfügig absorbiert.

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

Strukturanalyse

Bei der chemischen Strukturanalyse per Kernspinresonanz hingegen die Effekte beobachtet die die umgebenden und benachbarten Atome auf den Kernspin haben. können freie Elektronen in der Nähe ein Magnetfeld erzeugen das das äußere Feld entsprechend oder abschwächt. Dadurch verschieben sich die Frequenzen denen die Resonanzbedingung erfüllt ist.




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