7.2: Atomkerne: Kernspin

Alle atomaren Teilchen besitzen einen intrinsischen Drehimpuls oder "Spin". Elektronen, Protonen und Neutronen haben jeweils einen Spinwert von 1/2, obwohl Protonen und Neutronen in Kernen aufgrund energetischer Faktoren höhere halbganzzahlige Spins aufweisen können.

Atomkerne haben einen Netto-Kernspin, , der einen ganzzahligen oder halb-ganzzahligen Wert haben kann. In Atomkernen sind die Spins von Protonen gegeneinander, aber nicht mit Neutronen gepaart und umgekehrt. Folglich trägt eine gerade Anzahl von Protonen nicht zum Kernspinwert bei, und das Gleiche gilt für Neutronen.

Die Kerne von Kohlenstoff-12 und Sauerstoff-16 enthalten eine gerade Anzahl von Protonen und Neutronen und haben einen Netto-Kernspin von Null ( = 0). Wenn der Kern eine ungerade Anzahl von Protonen (z. B. Protium) oder Neutronen (z. B. Kohlenstoff-13) enthält, ist der Kernspin aufgrund des ungepaarten Nukleons eine halbe ganze Zahl. Ein Kern, der eine ungerade Anzahl von Neutronen und Protonen enthält, hat einen ganzzahligen Spin ungleich Null. Alle Kerne mit Spins ungleich Null sind NMR-aktiv.

Kerne mit Spinwerten größer als 1/2 werden als quadrupolare Kerne bezeichnet. Mehr als zwei Drittel der natürlich vorkommenden NMR-aktiven Kerne sind quadrupolar (Beispiele sind Stickstoff-14, Sauerstoff-17, Schwefel-33, Bor-11 und Chlor-35). Quadrupolare Kerne haben eine nicht-sphärische Ladungsverteilung, die zu asymmetrischen elektrischen und magnetischen Feldern führt, die zu breiten Signalen und komplexem NMR-Verhalten führen. Folglich werden Spin-Halbkerne mit sphärischer Ladungsverteilung und symmetrischen Feldern für NMR-Untersuchungen bevorzugt.

Alle atomaren Teilchen besitzen einen intrinsischen Drehimpuls oder "Spin". Elektronen, Protonen und Neutronen haben jeweils einen Spinwert von der Hälfte.

Im Gegensatz zu Elektronen können Protonen und Neutronen in Kernen höhere Spins haben, aber die Werte sind immer halbganze Zahlen.

Alle Teilchen in einem Kern tragen zum Gesamtspin des Kerns, I, bei.

In Kernen paaren sich Protonen mit Protonen, und Neutronen paaren sich mit Neutronen. Gepaarte Teilchen tragen zum Kern einen Nettospin von null bei. Ein Kern mit einem Spin ungleich Null hat also mindestens ein ungepaartes Teilchen.

Wenn die Anzahl der Protonen oder Neutronen ungerade ist, ist der Kernspin aufgrund des ungepaarten Protons oder Neutrons eine halbe ganze Zahl.

Wenn sowohl die Anzahl der Neutronen als auch der Protonen ungerade ist, ist der Kernspin eine ganze Zahl ungleich Null.

Obwohl alle Kerne mit Spins ungleich Null NMR-aktiv sind, werden Spin-Halbkerne – mit sphärischer Ladungsverteilung und symmetrischen Feldern – für NMR-Studien bevorzugt.