MRI en kernspinresonantie

[always]

Waarom wordt er bij MRI alleen gewerkt met de oneven aantal kerndeeltjes tellende atomen zoals de isotopen van waterstof en fosfor?
 
"De werking berust hierop dat isotopen met een oneven aantal kerndeeltjes, bijvoorbeeld waterstof en fosfor, een magnetisch veld hebben. Dit minuscule magneetje - de <i>kernspin</i> - kan met een extern magneetveld mee, of tegen een extern magneetveld in werken. Dit is een kwantumeffect, tussenstanden zijn niet mogelijk. Tussen deze twee toestanden bestaat een energieverschil, afhankelijk van de sterkte van het externe magneetveld."
https://nl.wikipedia.org/wiki/MRI-scanner
 
Als voorbeeld wordt nog gegeven: Koolstof 13, fosfor 31 en fluor 19 (
https://nl.wikipedia.org/wiki/Kernspinresonantie).Maar waarom zou een koolstof 12 met dus een even aantal kerndeeltjes geen magnetisch veld kunnen opwekken?

[die hanze]

een kern bestaat uit neutronen en protonen, elk van die deeltjes is een fermion met spin 1/2. Je hebt 2 mogelijke projecties van de spin, 1/2 en -1/2. Fermionen voldoen aan het uitsluitings principe van pauli, dus geen 2 fermionen kunnen dezelfde kwantum getallen hebben.
Als je al die kerndeeltjes(protonen en neutronen) samen brengt tot een atoomkern, dan creeren die gezamelijk een potentiaal put met bepaalde orbitalen.
Deze orbitalen vullen we op vanaf het laagste orbitaal, protonen en neutronen hebben aparte orbitalen natuurlijk. Deze orbitalen hebben ook een zekere spin, net zoals de maan rond de aarde een zeker angulair moment hebben. De spin van het orbitaal is een geheel getal, 0,1,2,3,... . Voor elk van de projectie's(='richting' waarin de spin vector wijst) van die spinnen kunnen 2 kernen in het orbitaal zitten(pauli uitsluiting spincipe) voor de 2 richtingen van de interne spin.

[always]

Ik begrijp niet goed wat ik bij een orbitaal van een proton/kerndeeltjes moet voorstellen,ik kan daar niet zo snel iets over vinden.
Misschien is dat ook de rede dat ik nog niet goed kan ontdekken waarom er nou per se een oneven aantal kerndeeltjes moet zitten voor een MRI? Is de buitenste orbitaal juist bepalend voor het al of niet mee of tegen het magneetveld in gaat omdat daar maar 1 spindeeltje zit die dus op + of - is en niet wordt geneutraliseerd?
 
Dus in die zin heeft een neutron, hoewel geen lading, wél een magneetje is door het + of - zijn van zijn spin?

[Marko]

Ik snap dat het idee van orbitalen voor nucleonen een beetje raar lijkt, maar feitelijk is de situatie in de kern heel erg vergelijkbaar met de elektronen rond de kern: Nucleonen zijn fermionen, deeltjes met een halftallige spin. En ze bevinden zich in een gebonden toestand.
 
Je zit in ieder geval een heel eind in de goede richting.
 
Twee nucleonen van hetzelfde type kunnen paren zoals elektronen dat ook kunnen. Op dat moment heffen de spins elkaar op. Bij kernen met een even aantal protonen heffen de spins van de protonen elkaar dus op. Bij deeltjes met een even aantal neutronen heffen de spins van de neutronen elkaar op.
 
In het geval van ¹²C (6 = 3*2 protonen en 6 = 3*2 neutronen) heb je dus uiteindelijk een kern met spin 0. Er is geen spin, dus geen koppeling met het magnetisch veld, dus is de kern niet MR-actief.
 
Kernen die wel MR-actief zijn hebben een oneven aantal protonen en/of een oneven aantal neutronen, omdat daar altijd minimaal 1 nucleon overblijft.
In het geval dat je 1 proton én 1 neutron overhoudt, tellen deze spins bij elkaar op, maar ook dan heb je een deeltje met spin ongelijk aan 0, die dus MR-actief is.

[always]

Heb je misschien een bron waar ik iets meer kan lezen over orbitalen van kerndeeltjes, want ik kan me de vergelijking met elektronen moeilijk voorstellen?

[always]

Toch vind ik nog wel eigenaardig dat een spin beinvloed kan worden door magnetisch kracht/velden. Hoewel 'hoeveelheid draaibeweging' vaak niet als goede definitie van spin wordt opgevat, vraag ik me toch af of spin ook nog een bepaalde (elektro)magnetisch veld laat ontstaan. Want hoe anders kan een magnetisch veld alleen de draaibeweging beïnvloeden (al weet ik dat het niet echt een draaibeweging is, maar wat dan wel)?

[Emveedee]

Als je meer wil weten over de orbitalen van kerndeeltjes kun je googlen op nuclear shell model, daar is een hoop over geschreven.
 
De relatie tussen spin en magnetisch moment komt vanwege het feit dat (bijv. een elektron) lading heeft. Een bewegende lading veroorzaakt immers een magneetveld.

[always]

In het onderhavige geval wordt het neutron dan gezien als geladen?

Zijn er ook artikelen in het nederlands over nuclear shell model, of kan iemand die even maken op Wikipedia?

[Emveedee]

Het neutron is geen elementair deeltje, maar bestaat uit quarks die wél een lading hebben. Vandaar het magnetisch moment van het neutron.
 
Een Nederlandstalig artikel kan ik zo snel even niet vinden.

[die hanze]

Tja engels is de taal van de wetenschap, ik vrees dat je niet veel in het nederlands gaat vinden.
Maak u geen zorgen wanneer je niet snapt dat hoe kerndeeltjes zich gedragen alsof ze alleen zijn in een potentiaal-put. Dit is zeker niet triviaal en het shell model voorspelt niet alles, zeker voor energie niveau's van kernen moet je 2 body terms erbij nemen.

[die hanze]

Over het het magnetisch moment van het neutron, vergeet niet dat integenstelling tot elektronen nucleonen geen elementaire deeltjes zijn.
neutronen en protonen bestaan uit 3 quarks die elk spin 1/2 hebben en rond elkaar bewegen. Ook al is de netto lading van het neutron 0, het neutron bestaat uit bewegende geladen deeltjes die een stroompje veroorzaken. Op die manier is het helemaal niet verwonderlijk dat het neutron een magnetisch veld produceert.