7.2: Атомные ядра: ядерный спин

Все атомные частицы обладают собственным угловым моментом или «спином». Каждый из электронов, протонов и нейтронов имеет значение спина ½, хотя протоны и нейтроны в ядрах могут иметь более высокие полуцелые спины из-за энергетических факторов.

Атомные ядра имеют чистый ядерный спин, CoreOrgo italic i, который может иметь целое или полуцелое значение. В атомных ядрах спины протонов спарены друг с другом, но не с нейтронами, и наоборот. Следовательно, четное число протонов не дает вклада в величину ядерного спина, и то же самое справедливо и для нейтронов.

Ядра углерода-12 и кислорода-16 содержат четное количество протонов и нейтронов и имеют нулевой суммарный ядерный спин (CoreOrgo italic i = 0). Когда ядро ​​содержит нечетное число протонов (например, протия) или нейтронов (например, углерода-13), ядерный спин является полуцелым из-за неспаренного нуклона. Ядро, содержащее нечетное число нейтронов и протонов, имеет ненулевой целочисленный спин. Все ядра с ненулевым спином ЯМР-активны.

Ядра со значениями спина более ½ называются квадруполярными ядрами. Более двух третей природных ЯМР-активных ядер являются квадруполярными (примеры включают азот-14, кислород-17, сера-33, бор-11 и хлор-35). Квадруполярные ядра имеют несферическое распределение заряда, что приводит к асимметричным электрическим и магнитным полям, что приводит к широким сигналам и сложному поведению ЯМР. Следовательно, для ЯМР-исследований предпочтительны ядра со спиновым полушарием, сферическим распределением заряда и симметричными полями.

Все атомные частицы обладают собственным угловым моментом, или «спином». Электроны, протоны и нейтроны имеют значение спина, равное половине.

В отличие от электронов, протоны и нейтроны в ядрах могут иметь более высокие спины, но их значения всегда являются полуцелыми числами.

Все частицы в ядре вносят свой вклад в общий ядерный спин I.

В ядрах протоны соединяются с протонами, а нейтроны соединяются с нейтронами. Парные частицы вносят нулевой суммарный спин в ядро. Таким образом, ядро с ненулевым спином имеет по крайней мере одну неспаренную частицу.

Если число протонов или нейтронов нечетное, то ядерный спин является полуцелым из-за неспаренного протона или нейтрона.

Точно так же, если число нейтронов и протонов нечетное, то ядерный спин равен ненулевому целому.

Несмотря на то, что все ядра с ненулевыми спинами являются ЯМР-активными, ядра со спин-половинами — со сферическим распределением зарядов и симметричными полями — предпочтительны для исследований ЯМР.