Spinn ekko

Den grafiske animasjonen av et spinnekko viser endringen i spinnene (røde piler) i Bloch-sfæren (blå) som en reaksjon på det eksterne magnetfeltet

I fysikk er spinnekko en effekt av kvantemekanikk som brukes i områdene kjernemagnetisk resonans (NMR) og elektronspinnresonans (ESR), spesielt for å måle magnetiske avslapningstider .

Enkelte partikler, for eksempel elektroner og visse atomkjerner, har en kvantemekanisk egenskap av sin egen vinkelmoment , som er kjent som spinn . På grunn av deres elektriske ladning ledsages spinnet av et magnetisk dipolmoment , slik at partiklene i et statisk magnetfelt har forskjellige energier avhengig av innstillingsvinkelen. En makroskopisk magnetisering av materialprøven oppstår da av at flere partikler retter seg langs feltretningen enn i motsatt retning. Den ligger parallelt med feltet, men kan roteres bort fra feltretningen med et ekstra alternerende magnetfelt med en passende frekvens, hvorved innstillingsvinkelen øker proporsjonalt med en lengre eksponeringstid for det alternerende feltet. Det statiske feltet virker da med et dreiemoment som alene vil sette magnetiseringen parallelt igjen, men hvis partikkelen har et vinkelmoment, forårsaker det Larmor-presesjonen rundt feltretningen . Komponenten for magnetisering, som er vinkelrett på aksen til det statiske feltet, roterer rundt denne aksen og induserer en vekselspenning i en annen magnetspiral, akkurat som den roterende magneten i en elektrisk generator. Frekvensen til denne vekselspenningen er Larmor-frekvensen i det statiske feltet, og dens amplitude er proporsjonal med styrken til den roterende komponenten i magnetiseringen. Siden du må gi samme frekvens til det vekslende feltet for å vri magnetiseringen mot feltets retning, er det et resonansfenomen .

For spin-ekkoet er det alternerende feltet nå slått på så lenge at magnetiseringen roteres 90 ° ( -puls), dvs. vinkelrett på retningen til det statiske magnetfeltet. Under den påfølgende Larmor-presesjonen reduseres magnetiseringen blant annet. fordi det (temporalt) statiske magnetfeltet er noe inhomogent, dvs. H. romlig variert. Da roterer ikke de enkelte spinnene i samme hastighet; man snakker om dephasing av spinnene. Som et resultat avtar den roterende komponenten av magnetiseringen, praktisk talt ned til null. Etter en stund slås det vekslende feltet på dobbelt så lenge som før, slik at spinnene roteres 180 ° ( -puls). Så står de igjen vinkelrett på det statiske feltet og fortsetter sin Larmor-presesjon i samme forstand, men de tregere blant dem har nå et forsprang på de raskere. På grunn av de samme inhomogenitetene i det statiske feltet, "spinnene" konvergerer "igjen ( omforming ) slik at etter samme tidsrom mellom - og - pulsen til det vekslende feltet, er de igjen i fase og genererer et klart maksimum av det induserte signalet , det såkalte spin-ekkoet. ${\ displaystyle \ pi / 2}$${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ pi / 2}$${\ displaystyle \ pi}$

I løpet av denne prosessen vil imidlertid noen av spinnene justere seg til det statiske magnetfeltet og dermed ikke lenger bidra til tverrmagnetiseringen. Ekkoet er derfor svakere enn ved den første magnetiseringen. Tidskonstanten for dette forfallet er den tverrgående avslapningstiden . Det kan enten bestemmes i flere eksperimenter med forskjellige ekkotider, eller ved å påføre ytterligere pulser med jevne mellomrom etter det første spinnekkoet , slik at et stort antall spinnekko kan observeres etter hverandre, som svakere fra tid til annen mislykkes. Den sistnevnte metoden, den såkalte Carr - Purcell pulssekvensen, kjennetegnes ikke bare av hastigheten, men også av sin ufølsomhet for diffusjonsprosesser. ${\ displaystyle \ pi}$

Spinnekko brukes i magnetisk resonansspektroskopi og magnetisk resonanstomografi , siden forskjellige atomkjerner , dvs. forskjellige isotoper , og til og med atomer i forskjellige forbindelser har forskjellige avslapningstider. Dette gjør at forbindelser kan undersøkes i detalj eller at typer vev kan differensieres i tomografi.

En veldig viktig og utbredt anvendelse av spin echo-eksperimentet er måling av diffusjon og strømningsbevegelser ved hjelp av feltgradient-NMR . Den diffusive eller (med strømmen) sammenhengende bevegelsen av partikler i en magnetfeltgradient over kjernefasepresesjonsfasen måles i spinnekkoeksperimentet. Dermed kan man også fysisk og kjemisk identiske arter, f.eks. B. differensiere visse vannmolekyler i vann og studere deres diffusjon, som i dette tilfellet kalles "selvdiffusjon" .

litteratur

• Hook , Wolf : Atomic and Quantum Physics. , Springer-lærebok, ISBN 3-540-67453-5 ( begrenset forhåndsvisning i Google- boksøk )

Individuelle bevis

1. ^ Paul T. Callaghan Prinsipper for kjernemagnetisk resonansmikroskopi . Clarendon Press, Oxford 1991, ISBN 0-19-853997-5 begrenset forhåndsvisning i Google Book Search