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2024-03-16T15:35:11Z

Vorlagen-fix (GoogleBuch)

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[[Datei:HahnEcho GWM.gif|mini|hochkant=2|Die grafische Animation eines Spin-Echos zeigt die Veränderung der Spins (rote Pfeile) in der [[Bloch-Kugel]] (blau) als Reaktion auf das äußere Magnetfeld ]]

In der [[Physik]] ist das '''Spin-Echo''' ein Effekt der [[Quantenmechanik]], der in den Bereichen der [[Kernspinresonanz|kernmagnetischen Resonanz]] (NMR) und [[Elektronenspinresonanz]] (ESR) insbesondere zur Messung von magnetischen [[Relaxation (NMR)|Relaxationszeiten]] verwendet wird.

Bestimmte [[Teilchen]], wie [[Elektron]]en und bestimmte [[Atomkern]]e, haben als quantenmechanische Eigenschaft einen Eigen[[drehimpuls]], der als [[Spin]] bezeichnet wird. Aufgrund ihrer [[Elektrische Ladung|elektrischen Ladung]] geht mit dem Spin ein [[magnetisches Dipolmoment]] einher, so dass die Teilchen in einem statischen [[Magnetismus|Magnetfeld]] je nach Einstellwinkel verschiedene Energie haben.

Eine [[makroskopisch]]e [[Magnetisierung]] der Materialprobe entsteht dann dadurch, dass sich mehr Teilchen längs der Feldrichtung ausrichten als entgegengesetzt. Sie liegt parallel zum Feld, kann durch ein zusätzliches magnetisches [[Wechselfeld]] geeigneter [[Frequenz]] aber von der Feldrichtung weggedreht werden, wobei ihr Einstellwinkel mit längerer Einwirkzeit des Wechselfeldes [[proportional]] wächst. Das statische Feld wirkt dann mit einem [[Drehmoment]], das für sich allein die Magnetisierung wieder parallel stellen würde, bei Vorhandensein eines Drehimpulses des Teilchens aber die [[Larmorpräzession]] um die Feldrichtung verursacht. Die Komponente der Magnetisierung, die zur Achse des statischen Feldes senkrecht steht, rotiert um diese Achse und [[Elektromagnetische Induktion|induziert]] in einer weiteren [[Magnetspule]] eine [[Wechselspannung]], genau wie der rotierende [[Magnet]] in einem elektrischen [[Generator]]. Die Frequenz dieser Wechselspannung ist die [[Larmorfrequenz]] im statischen Feld, und ihre [[Amplitude]] ist proportional zur Stärke der rotierenden Komponente der Magnetisierung. Da man die gleiche Frequenz dem Wechselfeld geben muss, um die Magnetisierung gegen die Feldrichtung zu verdrehen, handelt es sich um ein [[Resonanz]]phänomen.

Für das Spin-Echo wird nun das Wechselfeld so lange eingeschaltet, dass die Magnetisierung um 90° bzw. um <math>\pi/2</math> im [[Bogenmaß]] gedreht wird (<math>\pi/2</math>-[[Puls (Elektrotechnik)|Puls]]), also senkrecht zur Richtung des statischen Magnetfeldes steht. Bei der anschließenden Larmorpräzession nimmt die Magnetisierung u. a. deshalb ab, weil das (zeitlich) statische Magnetfeld etwas [[inhomogen]] ist, d. h. räumlich variiert. Dann rotieren die einzelnen Spins nicht alle gleich schnell; man spricht von der ''Dephasierung'' der Spins. Dadurch nimmt die rotierende Komponente der Magnetisierung ab, praktisch bis auf Null. Nach einer Weile wird nun das Wechselfeld doppelt so lange wie zuvor eingeschaltet, so dass die Spins um 180° gedreht werden (<math>\pi</math>-Puls). Danach stehen sie wieder senkrecht zum statischen Feld und setzen ihre Larmorpräzession im gleichen Sinn fort, aber die langsameren unter ihnen haben jetzt einen Vorsprung vor den schnelleren. Durch dieselben Inhomogenitäten des statischen Felds „laufen“ die Spins wieder „zusammen“ (''Rephasierung''), so dass sie nach derselben Zeitspanne, die zwischen dem <math>\pi/2</math>- und dem <math>\pi</math>- Puls des Wechselfeldes liegt, wieder in Phase sind und ein deutliches Maximum des induzierten Signals erzeugen, das Spin-Echo.

Während dieses Prozesses werden sich jedoch einige der Spins wieder nach dem statischen Magnetfeld ausrichten und damit nicht mehr zur transversalen Magnetisierung beitragen. Das Echo ist also schwächer als bei der Anfangsmagnetisierung. Die [[Zeitkonstante]] dieses Abfalls ist die [[Relaxation (NMR)|''transversale Relaxationszeit'']]. Sie kann entweder in mehreren Experimenten mit verschiedenen Echo-Zeiten ermittelt werden, oder indem nach dem ersten Spin-Echo in regelmäßigen Abständen weitere <math>\pi</math>-Pulse angelegt werden, so dass sich eine Vielzahl von Spin-Echos nacheinander beobachten lässt, die von Mal zu Mal schwächer ausfallen. Letztere Methode, die [[Herman Y. Carr|Carr]]-[[Edward Mills Purcell|Purcell]]-Pulssequenz, zeichnet sich neben ihrer Schnelligkeit durch ihre Unempfindlichkeit gegenüber [[Diffusion]]sprozessen aus.

== Anwendungen ==
Das Spin-Echo wird in der Magnetresonanzspektroskopie und der Magnetresonanztomographie angewendet, da verschiedene Atomkerne, also verschiedene [[Isotop]]e, und sogar [[Atom]]e in verschiedenen [[Chemische Bindung|Verbindungen]] unterschiedliche Relaxationszeiten haben. Dadurch lassen sich Verbindungen genau untersuchen oder in der Tomographie [[Gewebe (Biologie)|Gewebe]]<nowiki />arten unterscheiden.

Eine sehr wichtige und weit verbreitete Anwendung des Spin-Echo-Experimentes ist die Messung von [[Diffusion]] und [[Strömungsmechanik|Fließbewegungen]] mittels [[Feldgradienten-NMR]]. Dabei wird die diffusive oder (bei Fluss) [[Kohärenz (Physik)|kohärente]] Bewegung von Teilchen in einem Magnetfeld[[gradient]]en über die Kernspinpräzessions[[Phasenwinkel|phase]] im Spin-Echo-Experiment gemessen.<ref name="Callaghan">[[Paul T. Callaghan]] ''Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy''. Clarendon Press, Oxford 1991, ISBN 0-19-853997-5 {{Google Buch |BuchID=yjrjT_W5hygC}}</ref> Somit lassen sich auch physikalisch und chemisch identische [[Spezies (Chemie)|Spezies]] unterscheiden, z. B. bestimmte [[Wassermolekül]]e im Wasser, und ihre Diffusion studieren, die in diesem Fall „Selbstdiffusion“ genannt wird.

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=[[Hermann Haken (Physiker)|Haken]], [[Hans Christoph Wolf|Wolf]]
|Titel=Atom- und Quantenphysik
|Verlag=Springer-Lehrbuch
|Ort=Berlin, Heidelberg
|Datum=2003
|ISBN=3-540-67453-5
|Online={{Google Buch |BuchID=UI9Y3ZvHD-QC |Seite=282 |Hervorhebung=Spin-Echo}}}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Quantenmechanik]]
[[Kategorie:Kernspinresonanz]]

Spin-Echo - Versionsgeschichte

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