7.2: Nuclei atomici: spin nucleare

Tutte le particelle atomiche possiedono un momento angolare intrinseco, o “spin”. Elettroni, protoni e neutroni hanno ciascuno un valore di spin pari a ½, sebbene protoni e neutroni nei nuclei possano avere spin semiinteri più elevati a causa di fattori energetici.

I nuclei atomici hanno uno spin nucleare netto, CoreOrgo italic i, che può avere un valore intero o semiintero. Nei nuclei atomici gli spin dei protoni sono accoppiati tra loro ma non con i neutroni e viceversa. Di conseguenza, un numero pari di protoni non contribuisce al valore di spin nucleare, e lo stesso vale per i neutroni.

I nuclei di carbonio-12 e ossigeno-16 contengono un numero pari sia di protoni che di neutroni e hanno uno spin nucleare netto pari a zero ( CoreOrgo italic i = 0). Quando il nucleo contiene un numero dispari di protoni (ad esempio, protio) o neutroni (ad esempio, carbonio-13), lo spin nucleare è semiintero a causa del nucleone spaiato. Un nucleo contenente un numero dispari di neutroni e protoni ha uno spin intero diverso da zero. Tutti i nuclei con spin diverso da zero sono attivi NMR.

I nuclei con spin maggiore di ½ sono detti nuclei quadrupolari. Più di due terzi dei nuclei NMR attivi in natura sono quadrupolari (esempi includono azoto-14, ossigeno-17, zolfo-33, boro-11 e cloro-35). I nuclei quadrupolari hanno una distribuzione della carica non sferica che porta a campi elettrici e magnetici asimmetrici che si traducono in segnali ampi e comportamenti NMR complessi. Di conseguenza, per gli studi NMR sono preferiti i nuclei con spin half, con distribuzione di carica sferica e campi simmetrici.

Tutte le particelle atomiche possiedono un momento angolare intrinseco, o "spin". Elettroni, protoni e neutroni hanno ciascuno un valore di spin della metà.

A differenza degli elettroni, i protoni e i neutroni nei nuclei possono avere spin più elevati, ma i valori sono sempre semi-interi.

Tutte le particelle in un nucleo contribuiscono allo spin nucleare complessivo, I.

Nei nuclei, i protoni si accoppiano con i protoni e i neutroni si accoppiano con i neutroni. Le particelle accoppiate contribuiscono con zero spin netto al nucleo. Quindi, un nucleo con spin diverso da zero ha almeno una particella spaiata.

Se il numero di protoni o neutroni è dispari, lo spin nucleare è un semi-intero a causa del protone o del neutrone spaiato.

Allo stesso modo, se sia il numero di neutroni che di protoni è dispari, lo spin nucleare è un intero diverso da zero.

Anche se tutti i nuclei con spin diverso da zero sono NMR-attivi, i seminuclei di spin - con distribuzione di carica sferica e campi simmetrici - sono preferiti per gli studi NMR.