7.4: Atomkerne: Überblick über den Kernspinzustand

NMR-aktive Kerne haben Energieniveaus, die „Spinzustände“ genannt werden und mit der Ausrichtung ihrer magnetischen Kernmomente verknüpft sind. In Abwesenheit eines Magnetfelds sind die magnetischen Kernmomente zufällig ausgerichtet und die Spinzustände sind entartet. Wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, stehen den Spinzuständen nur 2 + 1 Orientierungen zur Verfügung. Ein Proton mit = ½ hat zwei verfügbare Orientierungen. In ähnlicher Weise hat das magnetische Kernmoment für einen quadrupolaren Kern mit einem Kernspinwert von eins drei mögliche Orientierungen.

Die gegen das Feld ausgerichteten Orientierungen weisen eine höhere Energie auf als diejenigen, die mit dem Feld ausgerichtet sind. Die Quantisierung von Spinzuständen ist ein Phänomen, das Zeeman-Aufspaltung genannt wird. Der Energieunterschied zwischen den beiden Spinzuständen ist proportional zur Stärke des angelegten Magnetfelds. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ist der Spinzustand niedrigerer Energie jedoch stärker besiedelt als der Spinzustand hoher Energie.

NMR-aktive Kerne haben Energieniveaus, die mit ihren Orientierungen des nuklearen magnetischen Moments verbunden sind, die als "Spin-Zustände" bezeichnet werden.

In Abwesenheit eines Magnetfeldes sind die nuklearen magnetischen Momente zufällig orientiert und die Spinzustände entartet.

Wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, stehen nur 2I + 1 Orientierungen zur Verfügung.

Die Orientierungen, die gegen das Feld ausgerichtet sind, haben eine höhere Energie als die Orientierungen, die mit dem Feld ausgerichtet sind, so dass die Spinzustände in einem Phänomen quantisiert werden, das als Zeeman-Aufspaltung bezeichnet wird.

Die Energiedifferenz zwischen zwei beliebigen Spinzuständen, ΔE, ist direkt proportional zur Stärke des angelegten Magnetfeldes.

Diese Energiedifferenz und die Umgebungstemperatur beeinflussen die Anzahl der Kerne, die jeden Spinzustand einnehmen.

Wenn die Temperatur sinkt, sind Spinzustände mit niedrigerer Energie stärker bevölkert als Spinzustände mit höherer Energie.