Der Kernspin: Von der Hypothese zum modernen Analysenwerkzeug [Reprint 2021 ed.] 9783112495889, 9783112495872

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SITZUNGSBERICHTE DER SÄCHSISCHEN AKADEMIE D E R W I S S E N S C H A F T E N ZU L E I P Z I G Mathematisch-naturwissenschaftliche Band

ARTUR

Klasse

120 • Heft 2

LÖSCHE

DER KERNSPIN: VON DER HYPOTHESE ZUM MODERNEN ANALYSENWERKZEUG (EINE BEINAHE GESCHICHTLICHE

BETRACHTUNG

UM D E R SACHE W I L L E N )

AKADEMIE-VERLAG BERLIN 1988

SITZUNGSBERICHTE DER SÄCHSISCHEN AKADEMIE D E R W I S S E N S C H A F T E N ZU L E I P Z I G MATHEMATISCH.NATURWISSENSCHAFTLICHE

KLASSE

Band 112 Heft 1 Prof. Dr. WALTER BREDNOW, Spiegel, Doppelspiegel und Spiegelungen — eine „wunderliche Symbolik" Goethes 1975. 28 Seiten - 4 Abbildungen - 8° - M 3 , Heft 2

Prof. Dr. ARTHUR LÖSCHE, Über negative absolute Temperaturen. Eine Einführung 1976. 26 Seiten - 12 Abbildungen - 8° - M 4 , -

Heft 3

Prof. Dr. med. HERBERT JORDAN, Kurorttherapie: Prinzip und Probleme 1976. 31 Seiten - 10 Abbildungen - 1 Tabelle — 8° - M 4,50

Heft 4

P r o f . D r . FRIEDRICH W O L F / D r . PETER FRÖHLICH, Z u r D r u c k a b h ä n g i g k e i t v o n

Heft 6

Prof. Dr. ERICH RAMMLER, Zwei Jahrzehnte Entwicklung des Einsatzes der Energieträger Kohle und Erdöl im Weltmaßstab 1977. 29 Seiten - 6 Abbildungen - 4 Tabellen - 8° - M 4 , -

Ionenaustausch-

reaktionen 1977.13 Seiten - 6 Abbildungen - 1 Tabelle — 8° - M 2 , Heft 5 Prof. Dr. DIETRICH XJ HL MANN, Möglichkeiten und Grenzen einer Regenerierung geschädigter Ökosysteme 1977. 50 Seiten - 20 Abbildungen - 2 Tabellen - 8° - M6,50

Heft 7 Prof. Dr. ULRICH FREIMUTH, Umweltprobleme in der Ernährung 1977. 32 Seiten - 3 Abbildungen - 4 Tabellen - 8° - M 4 , Band 113 Heft 1 Prof. Dr. ERICH LANGE, Allgemeingültige Veranschaulichung des II. Hauptsatzes 1978. 22 Seiten - 10 grafische Darstellungen - 8° - M 4 , Ileft 2

Prof. Dr. HERBERT BECKERT, Bemerkungen zur Theorie der Stabilität 1977. 19 Seiten — 8" — M 2,50

Heft 3 Prof. Dr. sc. KLAUS DÖRTER, Probleme und Erfahrungen bei der Entwicklung einer intensiven landwirtschaftlichen Produktion im Landschaftsschutzgebiet des Harzes • 1978. 20 Seiten - 6 Abbildungen, davon 4 farbige auf 2 Tafeln — 2 Tabellen — 8° - M 7 , Heft 4 Prof. Dr. sc. med. HANS DBISCHEL, Elektromagnetische Felder und Lebewesen 1978. 31 Seiten - 14 Abbildungen - 2 Tabellen - 8° - M 5 , Heft 5 Prof. Dr. MANFRED GERSCH, Wachstum und Wachstumsregulatoren der Krebse. Biologische Erkenntnisse und generelle Erwägungen 1979. 32 Seiten - 13 Abbildungen - 1 Tabelle - 8° - M 6 , Heft 6

P r o f . D r . r e r . n a t . FRIEDRICH WOLF / D r . r e r . n a t . URSULA KOCH, Ü b e r d e n E i n f l u ß d e r c h e m i s c h e n

Heft 7

P r o f . D r . r e r . n a t . FRIEDRICH WOLF / D r . r e r . n a t . WOLFSANG HEYER, Z u r S o r p t i o n a n T e t r a c a l c i u m -

Struktur von Dispersionsfarbstoffen auf deren Dispersionsstabilität 1979. 18 Seiten - 3 Abbildungen - 10 Tabellen - 8° - M 3,50

aluminathydroxysalzen

1980.12 Seiten — 5 Abbildungen — 4 Tabellen — 8° — M 2,—

Band 114 Heft 1 Prof. Dr. HASSO ESSBACH, Morphologisches zur orthologischen und pathologischen Differenzierung und zum Anpassungs- und Abwehrvermögen der menschlichen Placenta 1980.19 Seiten - 12 Abbildungen - 8° — M 4 , Heft 2 Prof. Dr. med. WERNER RIES, Risikofaktoren des Alterns aus klinischer Sicht 1980.19 Seiten - " 9 Abbildungen, davon 1 Abbildung auf Tafel - 8° - M 4 , Heft 3 Prof. Dr. OTT-HEINRICH KELLER, Anschaulichkeit und Eleganz beim Alexanderschen Dualitätssatz 1980.19 Seiten - 8° - M 4 , Heft 4 Prof. Dr. rer. nat. BENNO PARTHIER. Die cytologische Symbiose am Beispiel der Biogenese von Zellorganellen 1981. 29 Seiten - 16 Abbildungen - 2 Tabellen - 8° — M 6 , Heft 5

P r o f . D r . F . WOLF / D r . S. ECKERT / D r . M . W E I S E / D r . S. LINDAU, U n t e r s u c h u n g e n z u r S y n t h e s e

und Anwendung bipolarer Ionenaustauschharze

1980.12 Seiten — 6 Tabellen — 8° — M 2,—

Heft 6f Prof. Dr. med. HERBERT JORDAN, Balneobioklimatologie — Eine Zielstellung im Mensch-UmweltKonzept 1981. 25 Seiten - 8 Abbildungen - 1 Tabelle — 8° — M 4 , -

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Klasse

Band 120 • Heft 2

ARTURLÖSCHE

DER K E R N S P I N : VON DER H Y P O T H E S E ZUM M O D E R N E N ANALYSENWERKZEUG ( E I N E B E I N A H E GESCHICHTLICHE BETRACHTUNG UM D E R SACHE WILLEN)

mit 18 Abbildungen

AKADEMIE-VERLAG 1988

BERLIN

Vorgetragen in der Sitzung am 10. Mai 1985 Manuskript eingereicht am 30. April 1986 Druckfertig erklärt am 12. November 1987

ISBN 3-05-500480-9 ISSN 0371-327X Erschienen im Akademie-Verlag Berlin, D D R - 1 0 8 6 Berlin, Leipziger Straße 3—4 © Akademie-Verlag Berlin 1988 Lizenznummer: 202 • 100/389/87 Printed in the German Democratic Republic Gesamtherstellung: V E B Druckhaus „Maxim Gorki", 7400 Altenburg L S V 2075 Bestellnummer: 763 823 9 (2027/120/2)

00400

1. Die schnelle Entwicklung der Naturwissensehaften hin zur Technik ist atemberaubend, auch wenn viele sich schon daran gewöhnt haben. Ideen, heute noch Postulate, Hypothesen, können morgen schon Triebfeder neuer technischer Errungenschaften sein. Diese Wandlungen sind meistens nicht vorher zu sehen; sie vollziehen sich nicht isoliert, sondern bedürfen oft des Anstoßes von außen, der Anregung anderer Disziplinen — oder des Zufalls. Vor 60 J a h r e n war die Annahme eines Eigendrehimpulses von Atomkernen, eines Kernspins, eine Hypothese, mit der Abweichungen der F o r m optischer Spektrallinien von den Erwartungen erklärt werden konnten, die aber damals von keiner anderen Beobachtung her gefordert wurde. In einer derartigen Situation ist es notwendig zu überlegen, ob es nicht andere Annahmen gibt, die zu demselben Tatbestand führen. Inzwischen weiß man, daß mit dem Kernspin magnetische Dipolmomente verknüpft sind, die man experimentell auf ¿10"® messen kann, mit denen man Änderungen eines Magnetfeldes auf —10 9 feststellen kann. Mit Hilfe dieser magnetischen Kerndipole kann man große Magnete, wie sie f ü r Teilchenbeschleuniger o. ä. benötigt werden, steuern oder das Magnetfeld der Erde messen und daraus auf kosmische Vorgänge oder auf unter der E r d e verborgene Bodenschätze schließen. Die räumliche Struktur von Molekülen läßt sich aus Spektren ablesen und die Art von Geweben a m lebenden Objekt erkennen. Diese Auswahl augenfälliger Ergebnisse mag für eine profane Nutzensrechnung ausreichen, sie stellt aber nur einen kleinen Teil des Gewinns dar, den diese Entwicklung brachte. Denn diese technischen Resultate sind eng mit der Entdeckung neuer Erkenntnisse über den Aufbau der Materie verk n ü p f t . Keine Theorie der Atomkerne kann heute die Existenz von Kernspins leugnen; auch die Kenntnisse der zwischenatomaren und -molekularen K r ä f t e , die großen Anteil am Zusammenhalt der Materie haben, sind wesentlich erweitert worden, wie umgekehrt aus diesen zunächst „ a r t f r e m d e n " Gebieten viele Denkanstöße zur Untersuchung der Kernmomente kamen. Dieses Wechselspiel von Grundlagenwissen und technischen bzw. technologischen Prozessen läuft nach komplizierter Eigengesetzlichkeit ab. Diese 1*

ARTUR LÖSCHE

4

aufzuspüren, hat nicht nur historische Reize, sondern ist auch für die Gegenwart nützlich. Als W . P A U L I 1 9 2 4 (Naturwissenschaften 1 2 ( 1 9 2 4 ) 7 4 1 ) zur Erklärung der Hyperfeinstrukturen bestimmter Spektrallinien, die seit rd. 30 J a h r e n bekannt waren, annahm, Atomkerne könnten auch einen Eigendrehimpuls haben, hatte die optische Spektroskopie schon eine lange Geschichte hinter sich. Seit 65 J a h r e n ( B U N S E N , KIRCHHOFF) wurde sie rein empirisch zur Erkennung von Elementen benutzt. BALMER hatte, auch rein empirisch, 1 8 8 5 eine mathematische Beziehung für die Linien des Wasserstoff-Atom-Spektrums aufgestellt, die später theoretisch begründet werden konnte. ZEEMAN hatte die Aufspaltung von Spektrallinien im Magnetfeld entdeckt und H . A. LORENTZ konnte diese Aufspaltungsbilder erklären: er n a h m kreisende Elektronen an. Kreisströme stellen magnetische Dipole d a r ; die Kreisfrequenz wird — das konnte man alles klassisch errechnen — durch das Magnetfeld verändert. ZEEMAN und LORENTZ erhielten dafür 1 9 0 2 den Nobel-Preis für Physik. Das Erstaunliche ist, daß RUTHERFORD erst einige J a h r e später mit der Coulomb-Streuung von «-Teilchen an Atomen die Kleinheit des Atomkernes beweisen konnte. Erst dann war die Grundlage für das BoHRsche Atommodell gegeben, in dem drei Postulate enthalten sind. Nach dem klassischen Bild halten sich im Wasserstoffatom die Zentrifugalkraft der Elektronen und die elektrostatische Coulomb-Anziehung von Kernund Elektronenladung das Gleichgewicht. Die klassisch nicht verständliche Bedingung, deren Formulierung auf NICHOLSEN ( 1 9 1 2 ) zurück geht, besagt, daß das Wirkungsintegral über einen Umlauf 2.

(ß pclq =

nh

(1)

ein ganzzahliges Vielfaches (n) des Plancksehen Wirkungsquantums (h) sein muß (p, q sind verallgemeinerte Impuls- und Ortskoordinaten); dieses ganz ungewöhnliche Postulat war erforderlich, damit das umlaufende Elektron nicht ständig Energie abstrahlt und in den Kern stürzt. Die 3. Annahme besagte schließlich, daß die beim Übergang zwischen 2 Bahnen frei werdende Energie in Form einer elektromagnetischen Welle der Frequenz Em

— E„

bzw.

tb

1

— =

/.¡fin

vmn

=

Em

— tbO

E„

(2)

abgestrahlt wird (c = Lichtgeschwindigkeit). E s ergab sich =

n2

m2J

(3)

Der Kernspin. Von der Hypothese zum modernen Analysenwerkzeug

5

(Z = Kernladung). Die Rydberg-Konstante R konnte man aus Elementarkonstanten bestimmen, und die Übereinstimmung mit experimentellen Werten für das H-Atom übertraf alle bisherigen Erfahrungen der Physik. Man mußte die Mitbewegung des Kernes zulassen, aber das war klassisch verständlich, erweiterte das Modell durch Annahme von Ellipsenbahnen, konnte so eine Bahndrehimpuls-Quantenzahl l einführen, die der Lorentzschen Vorstellung entsprach. Besonders SOMMERFELD und seine Münchner Schule führten das Modell zu immer größerer Vollkommenheit. Einige Beobachtungen widersetzten sich jedoch diesen BOHR-SOMMERFELDschen Vorstellungen. Dazu gehörten viele Aufspaltungsbilder des ZeemanEffektes und auch die Ergebnisse der STERN-GERLAüHschen Atomstrahlexperimente, bei denen ein Strahl neutraler Atome (z. B . H- oder Ag-Atome) durch ein inhomogenes Magnetfeld aufgespalten wurde. Hinzu kam, daß die Untergruppen des Periodensystems nicht (21 — 1) sondern 2(21 + 1) Elemente enthielten; auch das störte die Harmonie des Modells, denn man hätte halbzahlige Drehimpulsquantenzahlen annehmen müssen. All diese Ausnahmen lösten 1926 — 1928 GOUDSMIT und UHLENBECK durch eine zunächst nur durch den Erfolg begründete Hypothese: Das Elektron hat einen Eigendrehimpuls mit der Spin-Quantenzahl s = 1/2 und ein magnetisches Dipolmoment ,us = 2 • s • nB

(4)

(/uB = Bohrsches Magneton). Demnach setzte sieh der Gesamtdrehimpuls eines Elektrons jh aus Spin- und Bahnanteil (sh und Ik) vektoriell zusammen, und zwar so, daß der Maximalwert von j = \l- + |s| ist und die nachfolgenden Werte immer um 1 kleiner sind (Abb. 1), also j = |!| +

\l\ + M - 1 , 11\ + ]s| - 2 , . . . , \l\ -

Dann ist das magnetische Dipolmoment des Elektrons

A b b . 1. Eigendrehimpuls (3h) und Bahndrehimpuls (l h) des E l e k t r o n s addieren sich vektoriell zum Gesamtdrehimpuls (fh).

(5)

6

ARTUR LÖSCHE

mit dem Lande-Faktor „ _ i , 7(7 + 1) + 9 i

~

+

+ 1) - 1(1 + 1)

'

w + i )

( )

D a s ist bereits die durch die Quantenmechanik gegebene Schreibweise. 'Für das freie Elektron (l = 0, = 1/2 = j) ergibt sich damit der gr-Faktor 2 wie in (4) und der Zeeman-Effekt ist vollständig e r k l ä r b a r ; die ursprüngliche Unterscheidung normaler und anormaler (klassisch nicht verständlicher) Zeeman-Effekt ist damit nicht mehr notwendig. Die theoretische Erklärung der GouDSMiT-UHLENBECK-Hypothese k o n n t e DIRAC erst 1932 mit der relativistischen Quantentheorie geben; genauere Messungen ergaben d a n n einen Wert f ü r den ¡7-Faktor des Elektrons, der etwa u m 10 3 größer als 2 war, und der mit Hilfe der Quantenelektrodynamik erklärt werden konnte. Trotz dieser Verbesserungen stellt das Vektormodell des Elektronendrehimpulses eine gute Näherung dar. 3. W ä h r e n d also eine Reihe verschiedener E r f a h r u n g e n zusammen kamen und durch Annahme eines Eigendrehimpulses des Elektrons geklärt werden konnten, beruhte Paulis Hypothese zunächst nur auf der H y p e r f e i n s t r u k t u r von Spektrallinien, also auf Aufspaltungen von Linien bei v ^ 15000 c m - 1 um 0,01 c m - 1 , also der relativen Größenordnung 10" 6 . Geht man davon aus, d a ß die Drehimpulse von K e r n und Elektron etwa gleich groß sind, d a n n muß die Rotationsfrequenz des Kerns, wenn dieses anschauliche Bild gestattet ist, wegen der größeren Masse u n d damit des größeren Trägheitsmoments, wesentlich niedriger sein. Die Umlauffrequenz der rotierenden L a d u n g bestimmt aber die Größe des magnetischen Moments. Infolgedessen wird nicht das BoHRSche Magneton 1f i B =

eh

2me

= 9,273- i 0

M

J - T \

(8a)

sondern das K e r n m a g n e t o n lpK =

eh

2 vi p

= 5,0505 • 10" 2 7 J • J 7 - 1

(8 b)

die Größenordnung der magnetischen Wechselwirkungen bestimmen. N i m m t man an, d a ß Spin- und B a h n m o m e n t der Elektronen am Ort des Atomkerns ein Magnetfeld H(0) erzeugen, das parallel zu J , dem Gesamtdrehimpuls aller Elektronen ist, d a n n k a n n man die magnetische Hyperfeinwechselwirkung in der Form A Wu

=

• H(0) cos ( f i j , 3(0))

= AU

cos ( T , J )

(9)

Der Kernspin. Von der Hypothese zum modernen Analysen Werkzeug

7

schreiben. Die magnetische Hyperfeinstrukturkonstante ist ^ =

Ä

(10) '

IJ

v

und den Winkel zwischen T und J kann man ausrechnen, wenn man annimmt, daß T und J sich vektoriell zu einem Oesamtdrehimpuls P ( A b b . 2) addieren.

Fh

Abb. 2. Gesamtdrehimpuls aller Elektronen (Jh) und Kerndrehimpuls (Th) bilden den Gesamtdrehimpuls des Atoms (Fh).

an

F kann die W e r t e I + J, I + J — 1, I + J — 2, . . . \I — J\ annehmen und in quantenmechanischer Schreibweise ( F 2 —> F(F cos

T

j

=

+

F(F

i ) — i{i

'

y

+

1)), ist

+ i ) — J(J

+

i)

21 -J

Es ist üblich, F(F

+

1) -

zu schreiben; dann wird

/(/ +

Wu

1) -

J(J

+

1) = C

= A • Gl2

(11)

(12)

Da H(0) nur näherungsweise berechnet werden kann, ist « , aus A nicht genau bestimmbar. I n schwachen Magnetfeldern stellt sich das Gesamtmoment des A t o m s pr = Vj

COS

( J , F)

-

p, cos (/, F)

(13)

als ganzes im Feld ein und bestimmt die Multiplettstruktur. Erst in höheren Feldern B ist ein Paschen-Back-Effekt möglich, der a} und ii, entkoppelt und zu den Zusatztermen im hohen Feld führt W

B

= - f - fijB J

i

fi[B + Amjmj.

(14)

Das zweite Glied, das den Kern-Zeeman-Effekt darstellt, ist optisch wegen der großen natürlichen Linienbreite nicht nachweisbar, so daß in A WB über rii, nur der Kernspin I eingeht.

8

ARTUR LÖSCHE

4. Um die Paulische Hypothese zu bestätigen, mußte nach Möglichkeiten gesucht werden, diesen Kernmagnetismus noch auf andere Weise nachzuweisen. Es war naheliegend, zunächst die Ausmessung der Hyperfeinstrukturen mit Hilfe von Interferometern zu verbessern. Dabei galt es, die Linienverbreiterungen der Spektrallinien durch Stöße zu reduzieren. S C H Ü L E R (1936) entwickelte hierzu die mit flüssigem Stickstoff gekühlte Hohlkathode: Durch den geringen Abstand der Anode wurde die positive Säule der Gasentladung unterdrückt und das negative Glimmlicht sorgte für intensive Anregung des Füllgases und des zerstäubten Kathodenmaterials. P A U L (1941) regte Atomstrahlen durch Stöße mit Elektronen zum Leuchten an. Da die Bewegung der Leuchtatome senkrecht zur Beobachtungsrichtung erfolgt, wird die linienverbreiternde Wirkung des Dopplereffekts stark reduziert. Mit dieser verfeinerten Technik konnten bessere Spektren erzeugt werden; auch Aufspaltungen im Magnetfeld wurden nachweisbar. Damit ließ sich der Kernspin (aus der Anzahl der Komponenten) relativ sicher bestimmen, aber für Kernmomente erhielt man nur die Größenordnung. S C H Ü L E R und Mitarbeitern gelang es, 1935/36 auch elektrische Kernquadrupolmomente nachzuweisen, die auftreten, wenn der Kernspin 7 S: 1 ist. Die magnetischen Momente von Atomen und Molekülen führen zum Paramagnetismus, zu einer temperaturabhängigen Suszeptibilität. L A S A R E W und S C H U B N I K O W (Phys. Zeitschrift der SU 11 (1937) 445) haben mit viel Aufwand den Paramagnetismus der Atomkerne nachgewiesen, der in Analogie zum Elektronenparamagnetismus die Form o

d5)

haben müßte (N = Anzahl der Kernmomente pro Volumeneinheit, « 0 = magnetische Feldkonstante, T = absolute Temperatur). Um y j messen zu können, muß man Elektronenparamagnetismus vermeiden, also Moleküle im ^ - G r u n d zustand untersuchen. Die Rotation der Moleküle sollte auch weitgehend reduziert werden und schließlich wird man bei möglichst tiefen Temperaturen messen. Mit einer statischen Methode (Anziehung in einem inhomogenen Feld) wurde y von Wasserstoff zwischen 1,76 K und 4,22 K gemessen; unter Berücksichtigung der Anteile von Ortho- und Para-Wasserstoff (Kernspins der beiden Protonen im H 2 parallel bzw. antiparallel) erhielten sie für Protonen ein Kernmoment von 2,8¡x K , also eine vernünftige Größenordnung. Damit war die PAULische Hypothese zunächst für Wasserstoff-Kerne experimentell weitgehend abgesichert, die quantitative Bestimmung der Momente war aber noch unbefriedigend. Nun hatte G R O T R I A N bereits 1929 vorgeschlagen, geringe Niveau-Unterschiede direkt zu messen und nicht als Differenz zweier großer Energiewerte

5.

Der Kernspin. Von der Hypothese zum modernen Analysenwerkzeug

9

zu bestimmen. D a s bringt grundsätzlich einen Genauigkeitsgewinn. E s kommt noch hinzu, daß optische Spektrallinien wegen der geringen Lebensdauer angeregter Zustände eine größere nat. Linienbreite haben (diese nimmt bekanntlich mit v3 zu!). Dadurch können Effekte beobachtbar werden, die im optischen Bereich vollständig überdeckt sind, also z. B . auch der 2. Term in (14). mx 3/2 \

7/2.

Diu,

\

L

\ ^ \ \

\

-3/2.

Abb. 3. Kern-Zeeman-Niveaus (bei I = 3/2) und normale Besetzungsdichte (^(m,)) (T > 0). GORTER versuchte 1936 die Kern-Zeeman-Niveaus durch einen ResonanzE f f e k t nachzuweisen. E s handelt sich um ein System äquidistanter Niveaus (Am, = -j-1) mit einem Abstand (Abb. 3) = -TT -Bh = In

wLh.

Setzt man für a,\lh = y, das gyromagnetische Verhältnis, dann ist /, z' = 1 steht also «/ still, als wäre kein äußeres Feld da, das äußere Feld wird also durch ein virtuelles Feld Bvin

= — — kompensiert (Abb. 7). Liegt nun im rotierenden System Y

ein Wechselfeld Bx ( B) etwa in Richtung y' an, dann wird ßj im rotierenden Koordinatensystem um die i/'-Achse eine zusätzliche Präzessionsbewegung mit = yBt (18) ausführen. Weiterhin sind im Gleichgewicht die Spins nach der Boltzmann-Statistik auf die verschiedenen Niveaus verteilt (Abb. 3); d. h. die Vektorsumme aller Dipolmoinente einer Volumeneinheit ergibt eine Magnetisierung (%[ s. Gl. (15)) M

=

(19)

xiH,

die parallel zur z-Richtung (entspricht B bzw. H) verläuft. Schaltet man nun © j nur kurzzeitig ein, so daß • t„,2

=

w

/2

(20)

ist, dann werden alle Spins und damit auch M um nj2 in Richtung x gedreht.

A r t u r Lösche

14

a)

b)

w

x' Abb. 7. Bewegung

eines

Kerndipolmoments

(»', y',

im

rotierenden

Koordinatensystem

z')

a) /«/ präzediert um z = z' mit u>L — "/¡B, so daß der Dipol gegenüber (x', y', z') in Ruhe ist. b) um ein mit A = yÄB und mB = yBB mit Amplituden B1Ä und B1B eingestrahlt werden, aber so, daß die HAETMANN-HAiiN-Bedingung YABia

=

7 B B

1 b

(31)

erfüllt ist; d. h., beide Spin-Magnetisierungen MA und M R präzedieren um die «'-Achsen der jeweiligen rotierenden Koordinatensysteme mit derselben Frequenz. Dann besteht optimale Wechselwirkung zwischen beiden Spinsystemen und die stärkere Magnetisierung wird auf das schwächere System übertragen. Pines, Gibby und Wai;gii haben hieraus eine Methode entwickelt, mit der man 13C-Signale bei natürlicher Häufigkeit dieses Isotops in orientierten Phasen erhalten kann (Abb. 14). Wegen der Seltenheit von 13C ist eine DipolDipol-Kopplung zwischen 13C-Kernen nicht zu fürchten. Die 1H-13C-DipolKopplung wird durch einen ji/2-Impuls und einen anschließenden ?r/2-Phasensprung aufgehoben. Die ^-Magnetisierung rotiert dann mit B^i H um die Richtung des Magnetfeldes. Schaltet man nun das B1 i3(,-Feld unter Einhaltung der Hartmann-Hahn-Bedingung (31) ein, dann wird die 13C-Magnetisierung ver-

22

Artur Lösche

s t ä r k t ; m a n k a n n sie n a c h Abschalten dieses 13 C-i? 1 -FeIdes als F.I.D.-Signal registrieren u n d auswerten. Ein Beispiel zeigt Abb. 15. E s handelt sich wiederum u m flüssig-kristalline Phasen einer organischen Verbindung, in denen die Moleküle g u t parallel zueinander orientiert sind; das e r k e n n t man an den seh malen Linien. J e d e m x/2

v13£ =22,63MHz

Abb. 14. P.-G.-W.-Impulsprogramm zum Nachweis von

13

C-Signalen.

C-Atom des starren Mittelteils k a n n m a n eine Linie z u o r d n e n ; die Resonanzlinien gegenüberliegender C-Atome der Benzen-Ringe fallen zusammen, was an der doppelten Signalamplitude erkennbar ist. D a r a u s k a n n m a n auf schnelle R o t a t i o n u m die Moleküllängsachse schließen. Die A b s t ä n d e ä n d e r n sich mit der T e m p e r a t u r , d. h. die Molekülorientierung in den verschiedenen P h a s e n ist verschieden. Die chemischen Verschiebungen der Glieder der aliphatischen K e t t e n sind ähnlich, a u ß e r d e m „ w a c k e l n " die K e t t e n mehr. D a d u r c h fallen hier mehrere Linien zusammen. Das sind I n f o r m a t i o n e n , die f ü r die Analyse flüssigkristalliner P h a s e n von B e d e u t u n g sind. 9. I n zunehmendem Maße werden NMR-Methoden auch auf biologische Objekte angewendet, u m z. B. aus dem Aufspaltungsbild eines S p e k t r u m s auf die vorliegenden Phosphorverbindungen schließen zu können (Abb. 16). Mit Hilfe geeignet geformter HF-Spulen oder durch einen geeigneten Feldverlauf gewinnt m a n Spektren in vivo von bestimmten Organen, deren F u n k t i o n s tüchtigkeit an H a n d der gefundenen Molekülgruppen g e p r ü f t werden k a n n . Seit 1972 versucht m a n , auch räumlich aufgelöste Spektren zu erzeugen. Damaman erzeugte hierzu ein inhomogenes, sattelförmiges Magnetfeld u n d benutzte ein Wechselfeld, das n u r im S a t t e l p u n k t die Resonanzbedingung erfüllt (Abb. 17). Man erhält so n u r von diesem P u n k t Signale, deren Amplitude ein Maß f ü r die K o n z e n t r a t i o n des betreffenden Isotops ist. Verschiebt m a n n u n diesen P u n k t , so k a n n m a n punktweise die Intensitätsverteilung a u f n e h men. D a m i t wurden die ersten Bilder z. B. vom I n n e r n des B r u s t k o r b s auf-

Der Kernspin. Von der Hypothese zum modernen Analysenwerkzeug

2

x5

Abb. 15.

13

H

3

x

2

x

*?

r

3

3

'

6

s

'

23

7

r

y

>

y*

y*

Y e

C-NMR-Spektrum in flüssig-kristallinen Phasen, aufgenommen mit P.G.W.-Impulsfolge (siehe Abb. 14).

der

24

A R T U R LÖSCHE

- N Y / ^ k A w ' W

66 Tfsec.)

22

W V M A V

V

y

w T° Zsii

5 -1 -8 PPM

-16

nach

Belastung

-ZV

VergL&chsspektrum ohne • Betastung

Abb. 16. 31P-Spektrum eines Unterarms bei abklingender Belastung. An den sich ändernden Spektren kann man den A T P (Adenosintriphosphat)-Umsatz bestimmen. Die Spektren wurden mit Oberflächenspulen bei 40,48 MHz (2,3488 T ) bei 20 Überlagerungen aufgenommen (BRUKER-Physik).

Abb. 17. Feldverlauf bei der Aufnahmetechnik nach DAMADIAN. Die Frequenz wird auf den Sattelpunkt abgestimmt, so daß Signale nur von diesem Gebiet aufgenommen werden.

Der K e r n s p i n . Von der H y p o t h e s e z u m m o d e r n e n A n a l y s e n w e r k z e u « :

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g e n o m m e n . Dieses Verfahren eignet sich aber n i c h t f ü r R o u t i n e m e s s u n g e n , da die A u f n a h m e z e i t von mehreren S t u n d e n k a u m reduziert werden k a n n . LAUTBRBXJE U. a. b e g a n n e n k u r z d a n a c h Methoden a n z u w e n d e n , die denen der R ö n t g e n t o m o g r a p h i e ähneln. Die R a u m a u f l ö s u n g wird d u r c h lineare F e l d g r a d i e n t e n erreicht. Die Isotope, die zum Signal beitragen, liegen d a n n jeweils in einer E b e n e , welche die R e s o n a n z b e d i n g u n g erfüllt. D u r c h K o m b i n a tion vieler Signale m i t unterschiedlichen F e l d g r a d i e n t e n erhält m a n einen g r o ß e n M e ß w e r t v o r r a t , a u s d e m schnelle R e c h n e r großer S p e i c h e r k a p a z i t ä t d a n n d a s Bild r e k o n s t r u i e r e n . Die meisten E r f a h r u n g e n liegen von P r o t o n e n b i l d e m vor. Jn mit Eisen abgeschirmten L u f t s p u l e n k a n n m a n homogene Magnetfelder von 0,28 T herstellen, d u r c h die m a n die zu u n t e r s u c h e n d e n Personen schiebt, u m G a n z k ö r p e r a u f n a h m e n zu m a c h e n . Bei V e r w e n d u n g von Supraleitungsspulen erreicht m a n 2 T u n d f ü r kleinere Feldbereiche zur A u f n a h m e von Körperteilen 2,4 T bis 4,7 T . Mit I m p u l s p r o g r a m m e n k a n n m a n die Untersuchungszeit auf wenige M i n u t e n h e r a b d r ü c k e n ; gleichzeitig k a n n m a n d a n n die A u f n a h m e mit T2Messungen koppeln. D a d u r c h ist es möglich, Gewebe, die dieselbe K o n z e n t r a t i o n von Wasserstoffa t o m e n , aber eine unterschiedliche D y n a m i k haben, zu unterscheiden. Man k a n n z. B. gesundes u n d k r a n k e s , z. B. kanzerogenes Gewebe v o n e i n a n d e r t r e n n e n . Man k a n n a u c h die Impulsfolgen mit d e m Pulsschlag des P a t i e n t e n synchronisieren u n d auf diese Weise „ M o m e n t a n a u f n a h m e n " des schlagenden H e r zens gewinnen. Einige Beispiele sind in Abb. 18 angegeben. 10. Mit dieser kleinen Auswahl von Anwendungsmöglichkeiten, nicht n u r zur Lösung technischer, technologischer Probleme, s o n d e r n a u c h auf Gebieten, die A u s g a n g s p u n k t neuer E r k e n n t n i s s e sind — z. B. h a t a u c h die L a s e r - P h y s i k d a v o n profitiert, d e n n d a s S t u d i u m der „Mikrowechsel Wirkungen" wurde wesentlich d u r c h die N M R gefördert —, sollte vor allem a u c h zum N a c h d e n k e n a n g e r e g t werden. A u s g a n g s p u n k t war eine „rein a k a d e m i s c h e " H y p o t h e s e , die A n n a h m e von K e r n s p i n s , der zu dieser Zeit n i e m a n d einen p r a k t i s c h e n W e r t zugeschrieben h ä t t e . I n m ü h s a m e r Kleinarbeit w u r d e n weitere F a k t e n z u s a m m e n g e t r a g e n , die schließlich zu einer Spektroskopie in einem F r e q u e n z g e b i e t f ü h r t e n , d a s bis d a h i n n u r von N a c h r i c h t e n ü b e r t r a g u n g s s y s t e m e n g e n u t z t wurde. Erfolge auf a n d e r e n Gebieten, I m p u l s t e c h n i k , elektronische R e c h e n t e c h n i k , f ü h r t e n zu E r w e i t e r u n g e n , die schließlich eine völlig n e u a r t i g e M e t h o d e der medizinischen Diagnostik ergaben. W e n n wir heute die hohe P r a x i s w i r k s a m k e i t hervor heben, d ü r f e n wir die experimentellen u n d theoretischen A r b e i t e n vor 60, 50 u n d 40 J a h r e n n i c h t vergessen, die weitab von den d a m a l s aktuellen Problemen durchgeführt wurden. 3

Lüsche

Band 115 Heft 1 Heft 2 Heft 3 Heft 4

Prof. Dr. rer. nat. HERMANN BERG. Wilhelm Ostwald — Erkenntnisse über die Biosphäre 1981. 36 Seiten - 7 Abbildungen - 3 Tabellen - 8° - M 6, Prof. Dr. so. KLAUS DÖRTER, Aphorismen zur Qualität des Bewässerungswassers 1981. 31 Seiten - 11 Abbildungen - 11 Tabellen - 8° - M 6 , Prof. Dr. Ing. Dr. rer. nat. h. c. PAUL GÖRLICH, Die geschichtliche Entwicklung des wissenschaftlichen Gerätebaus und seine zukünftige Bedeutung 1981. 36 Seiten — 8° — M 6, — Prof. Dr. WOLFGANG BUCHHEIM, Albert Einstein als Wegbereiter nachklassischer Physik 1981. 29 Seiten - 8° - M 4 , -

Heft 5

Prof. Dr.-Ing. HERBERT KRUG, Die Technologie der Brikettierung von Weichbraunkohle im Lichte der Verfahrenstechnik und der besseren Nutzung dieses Energieträgers 1982. 20 Seiten - 13 Abbildungen - 8° - M 3 , -

Heft 6

Prof. Dr. ERNST NEEF, Der Verlust der Anschaulichkeit in der Geographie und das Problem der Kulturlandschaft 1981. 34 Seiten — 8° — M 5, —

Band 116 Heft 1 Prof. Dr. WERNER RIES, Studien zum biologischen Alter ' 1982. 27 Seiten - lü Abbildungen - 8° - M 4, Heft 2 Prof. Dr. RUDOLF SACHSENWEGER, Augenunabhängige optosensorische Wahrnehmungsformen 1983.19 Seiten - 8° - M 4 , Heft 3 Prof. Dr. HANS-GEORG SCHÖPF, Die Griechen und die Natur 1983. 62 Seiten - 8° - M 8, Heft 4 Prof. Dr. In«. J I N BENETIN, Mathematisches Modell für das Wachstum von landwirtschaftlichen Kulturen und seine Verwertung in der quantitativen Beurteilung des Bewässerungseffektes auf die Steigerung der Ernteerträge 1983. 36 Seiten - 18 Abbildungen - 3 Tabellen - 8° - M 6 , Heft 5

Prof. Dr. HANS DRISCHEL t , Neues über die Pupille 1983. 30 Seiten - 26 Abbildungen - 8° - M 4, -

Heft 6

Prof. Dr. BENNO PARTHIER, Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis 1983. 41 Seiten - 19 Abbildungen - 2 Tabellen - 8° -

Heft 7

Prof. Dr. ADOLF WATZNAUER, Die Solle des Radons (Isotop " ! R n ) als Umweltfaktor — eine Übersicht 1983. 34 Seiten - 3 Abbildungen - 4 Tabellen — — M 5, —

116,-

Band 117 Heft 1 Heft 2 Heft 3 Heft 4

Heft 5 Heft 6 Heft 7

Prof. Dr. sc. KLAUS DÖRTER, Einige Aspekte zum landeskulturellen Nutzen des Meliorationswesens 1984. 31 Seiten - 10 Abbildungen - 11 Tabellen - 8° - M 8 , Prof. Dr. HERBERT BECKERT, Nichtlineare Elastizitätstheorie 1984. 58 Seiten — 8° — M 8, — Prof. Dr. HERBERT JORDAN, Zur funktionellen Normalität des Menschen 1984. 29 Seiten - 15 Abbildungen - 1 Tabelle - 8° - M 4 , D r . ARND BERNHARDT / K L A U S - D I E T E R J Ä G E R / K A R L MANNSFELD / INGE HARTSOH, B e i t r ä g e z u m

Problemkreis des Landschaftswandels 1985.101 Seiten - 3 Abbildungen - 5 Tabellen - 2 Übersichten - 8° - M 1 4 , Prof. Dr. OTT-HEINRICH KELLER, Das Zählen als angeborene Verhaltensweise 1984. 36 Seiten - 11 Abbildungen - 8° - M 6 , Prof. Dr. WOLFGANG BUCHHEIM, Komplementarität nach Niels Bohr — physikgeschichtliche Episode oder universale Kategorie von Ergänzung? 1984. 30 Seiten — 3 Tabellen — 8° — M 4,— Prof. Dr. BENNO PARTHIER, Gene, Gentechnik, Genmanipulation 1984. 28 Seiten - 7 Abbildungen - 8° - M 4 , -

Band 118 Heft 1 Heft 2 Heft 3 Heft 4

Prof. Dr. HANS JÜRGEN BÖSLER, GeowissenBehaften und Geochemie 1985. 24 Selten - 11 Abbildungen - 8° - M 4 , Prof. Dr. HERBERT BECKERT, Automatik — Mathematik und Erfahrung 1985.19 Seiten - 8° - M 3 , Prof. Dr. HERMANN BERG, Zellfusion, Transformation und Pharmakainkorporation durch Elektrostimulation 1985. 27 Seiten — 15 Abbildungen — 8° — M 4,— Prof. Dr. N. JOACHIM LEHMANN, Die analytische Maschine. Grundlagen einer Computer-Analytik 1985. 64 Seiten - 5 Abbildungen - 8° — M 8 , -

Helt 5 Heit 6 Heft 7

Prof. Dr. DIETRICH UKLMANN, Die anthropogene Eutronhierung der Gewässer — Ein umkehrbarer Prozeß? 1985. 32 Seiten - 16 Abbildungen — 8° - M 4 , P r o f . D r . FRIEDRICH WOLF, D r . MAGDALENA WEISE, D e r S i r o t h e r m - P r o z e ß — E i n V e r f a h r e n z u r

rationellen Wasserentsalzung

1986. 31 Seiten - 12 Abbildungen — 7 Tabellen — 8° — M 4,—

D r . sc. R U T H ZWICKER / D r . sc. HERBERT FÜHRER / GERHARD PLÖTNER / P r o f . D r . m e d . HERBERT JORDAN, P r o f . D r . WOLFGANG BUCHHEIM, M o d e l l v e r s u c h e z u m V e r v o r e f f e k t n a c h V . V O T J K u n t e r

biophysikalischen Gesichtspunkten 1986. 52 Seiten - 14 Abbildungen - 11 Tabellen — 8° - M 7 , Band 119 Heft 1

Prof. Dr. WERNER EIES, Methoden und Erkenntnisse der Aiternsforschung 1986. 31 Seiten - 20 Abbildungen - 8° - M 4, -

Heft 2

Prof. Dr. HEINZ PENZLIN, Die Erscheinung des lebendigen in unserer Welt 1986. 91 Seiten - 10 Abbildungen - 3 Tabellen - 8° - M 1 2 , -

Heft 3

P r o f . D r . HANS-HEINZ EMONS, D r . sc. p h i l . D r . r e r . n a t . HANS-HENNING WALTER, H i s t o r i s c h e E n t -

Heft 4

Prof. Dr. HERBERT JORDAN, „Basimetry": Ansätze einer chronotherapeutischen Urteilsbildung 1987. 31 Seiten - 16 Abbildungen - 1 Tabelle - 8° - M 4 , -

Heft 5

Dr. sc. HARALD HILBIG, Existenzsätze für einige Totwasserprobleme der Hydrodynamik 1987.101 Seiten - 21 Abbildungen - 8° - M 1 4 , -

Heft 6

D r . MATTHIAS SACHSENWEQER, D r . ULRICH SACHSENWEGER, D a s R a u m s e h e n b e i b e w e g t e n O b j e k t e n

wicklung und zukünftige Tendenzen der Siedesalz-Produktion unter besonderer Berücksichtigung der ehemaligen Salinen im sächsisch-thüringischen Baum 1986. 42 Seiten - 19 Abbildungen - 4 Tabellen — 8° - M 6 , -

auf der Basis der dynamischen Stereoskopie und der Bewegungsparallaktoskopie sowie seine Bedeutung für Arbeits- und Verkehrsmedizin In Vorbereitung

Band 120 Heft 1

Prof. Dr. HERMANN BERG u . a . : Kanzerostatische Anthrazykline, physikochemische Eigenschaften und Wirkungsmechanismen In Vorbereitung

Heft 2

Prof. Dr. ARTTJR LÖSCHE, Der Kernspin: Von der Hypothese zum modernen Analysenwerkzeug. (Eine beinahe geschichtliche Betrachtung um der Sache willen) Vorliegende» Beft

Heft 3

Prof. Dr. D r . h. c. JOACHIM SCHARF, Anfänge von systematischer Anatomie und Teratologie im alten Babylon In Vorbereitung

Einzel- oder Fortsetzungsbestellungen durch eine Buchhandlung erbeten Sitzungsberichte bis Band 108 durch das Zentralantiquariat der Deutschen Demokratischen Republik, Leipzig, ab Band 109 durch die Universitätsbuchhandlung, 7010 Leipzig, zum, Teil noch lieferbar

AKADEMIE-VERLAG

BERLIN

DDR-1086 Berlin, Leipziger Straße 3—4

ISBN 3-05-500480-9 ISSN 0371-327X