Warum hat Kohlenstoff-12 einen Kernspin von Null?

Während des Studiums der NMR-Theorie erklärte mein Lehrbuch, dass nur Kerne mit ungeraden Massenzahlen NMR-aktiv sind, weil sie nicht ganzzahlige Spinquantenzahlen haben und Kerne mit gerader Massenzahl und Ordnungszahl einen Spin von I = 0 haben.

Das ergibt für mich nicht viel Sinn. NMR erzeugt ein Magnetfeld, das mit rotierenden Ladungen (wie einem Proton oder Elektron) interagiert, die ebenfalls ein Magnetfeld erzeugen. Wie kommt es also, dass der Kern von Kohlenstoff-12 für NMR „unsichtbar“ ist?

Mit anderen Worten, wenn wir jedes Proton als Miniatur-Stabmagnet behandeln, der in der Lage ist, zwischen Alpha- und Beta-Zuständen (parallel und antiparallel) umzuschalten, was hindert dann die Protonen daran, in einem Kohlenstoff-12-Kern den „Spin umzukehren“?

Über das gesamte Periodensystem hinweg können Kernspinwerte im Bereich von I = 0 bis I = 8 in ½-Einheiten-Schritten gefunden werden. Protonen und Neutronen haben jeweils Nettospins von ½, aber dies ergibt sich aus Spinwechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen (Quarks), aus denen sie bestehen. Aufgrund dieser Komplexität existiert keine einfache Formel zur Vorhersage von I basierend auf der Anzahl von Protonen und Neutronen in einem Atom. mri-q.com/predict-nuclear-spin-i.html
Was Sie vernachlässigen, ist, dass die Nukleonen auch miteinander interagieren und sich so organisieren, dass sich ihre magnetischen Momente effektiv aufheben. Folglich müssen Sie den gesamten Kern als eine Einheit behandeln.
@lemon in diesem Fall, wie kommt es, dass C-13 I = 0,5 und H-2 I = 1 hat? Beide haben ein "ungepaartes" Proton ...
@Nova Deuterium hat eine ungepaarte Neutronenaddition 1 / 2 zum Spin, der einen ungerade-ungerade-Kern bildet, während C-13 gerade-ungerade ist, wobei nur das ungepaarte Proton beiträgt.
@Nova Ich sollte auch hinzufügen, dass Deuterium aufgrund der Abhängigkeit der Kernkraft vom Isospin nur stabil ist, wenn die Neutron-Proton-Spins daher parallel sind ICH z = 1 / 2 + 1 / 2 = 1 .
Aber Neutronen haben keine Ladung, warum ist ihre Drehung also wichtig? Hat das mit der starken oder schwachen Kernkraft zu tun?
@Nova Wie Ihr Buch erklärt, verhalten sich alle Fermionen (Teilchen mit halbzahligem Spin) wie kleine Magnete und präzedieren in einem Magnetfeld. Dies liegt an ihrem Spin, nicht an ihrer Ladung (siehe en.wikipedia.org/wiki/Neutron_magnetic_moment ).

Antworten (1)

Die Wechselwirkung zwischen Nukleonen in einem Kern ist sehr stark, sodass die mit dem Umklappen eines Spins verbundenen Energieänderungen sehr hoch sind. Die ersten paar Energieniveaus eines Kohlenstoffkerns können in diesem Dokument gefunden werden . Der Energieabstand zwischen dem Grundzustand J = 0 und der erste angeregte Zustand J = 2 beträgt 4,44 MeV. Das ist nach den Maßstäben moderner Beschleuniger nicht viel, aber viel, viel zu groß, als dass der Übergang durch ein externes Magnetfeld verursacht werden könnte.

Für die NMR verhält sich das Kohlenstoffatom also wie ein Elementarteilchen mit Spin Null ohne innere Anregungen.

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