第110回
問4
理論問題｜物理
スピン量子数1/2の原子核とエネルギー準位の分裂
【設問】
スピン量子数が 1/2 である原子核が外部磁場の中に置かれると、そのエネルギーが 2 つのエネルギー準位に分かれることを表しているのはどれか。1つ選べ。
問4（物理）
1
化学シフト
—
2
McLafferty（マクラファティー）転位
—
3
ラジカル開裂
—
4
超微細分裂
—
5
ゼーマン分裂
—
正解です！
外部磁場によるエネルギー準位の分裂をゼーマン分裂と正しく理解しています。
不正解です。正解は 5 です。
解説で各スペクトル用語の定義を確認しましょう。
解説を見る▼
【問4】ゼーマン分裂
スピン量子数 I ＝ 1/2 の原子核（¹H、¹³C など）は、外部磁場がない状態ではエネルギー縮退しているが、外部磁場中に置かれると磁気量子数 m = ＋1/2 と m = −1/2 の 2 つのエネルギー準位に分裂する。分裂する準位の数は 2I＋1 で計算でき、本問では 2×(1/2)＋1 ＝ 2 つの準位に分裂する。なお、スピン量子数 I ＝ 1 の原子核（¹⁴N など）であれば 2×1＋1 ＝ 3 つの準位に分裂する。この現象をゼーマン分裂（Zeeman splitting）という。NMR（核磁気共鳴）分光法はこのゼーマン分裂を利用した分析手法である。
| 用語 | 内容・定義 |
|---|---|
| ゼーマン分裂 ★ | 外部磁場中でスピンをもつ原子核のエネルギー準位が 2I+1 個に分裂する現象（NMR・ESR の基礎） |
| 化学シフト（選択肢1） | NMR において、基準物質（TMS など）からの共鳴周波数のずれ（δ/ppm）。官能基の種類や電子環境を反映する。エネルギー準位の「分裂」ではない。 |
| McLafferty転位（選択肢2） | 質量分析（MS）においてγ水素転位を伴う特徴的な開裂反応。磁場・スピンとは無関係。 |
| ラジカル開裂（選択肢3） | 質量分析（MS）においてラジカルイオンが均等に開裂する反応。磁場・スピンとは無関係。 |
| 超微細分裂（選択肢4） | ESR（電子スピン共鳴）において、不対電子スピンが周囲の核スピンと相互作用してスペクトルが細かく分裂する現象（ハイパーファイン構造）。NMRにおける「スピン-スピン結合（多重線への分裂）」に相当するESR側の用語であり、外部磁場によって最初に起こる「ゼーマン分裂」とは区別が必要。 |
・選択肢4（超微細分裂）が最大のひっかけ。ESR でのスピン関連現象であり「分裂」という言葉も含まれるため紛らわしい。しかし超微細分裂は「核スピンとの相互作用による2次的な分裂」であり、外部磁場によるエネルギー準位の最初の（基本的な）分裂はゼーマン分裂である。
・選択肢1（化学シフト）はNMRの概念であり、磁場との関連は薄く見えるが、「エネルギー準位の分裂」を指す用語ではなく共鳴周波数の「ずれ」を指す。
・選択肢1（化学シフト）はNMRの概念であり、磁場との関連は薄く見えるが、「エネルギー準位の分裂」を指す用語ではなく共鳴周波数の「ずれ」を指す。
臨床メモ▼
薬剤師 あおい
NMRとESRに関係する用語は国試でよく整理して問われます。ゼーマン分裂は「外部磁場→エネルギー準位が分かれる」という根本的な現象、超微細分裂はその後に核スピンとの相互作用で”さらに細かく”分かれる現象、と階層的に整理しましょう。
分析法の分類に迷ったら、「何を主役（観察対象）にしているか」でフォルダ分けすると瞬時に仕分けできます。
- 核スピン（NMR）：ゼーマン分裂、化学シフト、スピン-スピン結合
- 電子スピン（ESR）：ゼーマン分裂、超微細分裂（ハイパーファイン構造）
- 分子イオン（MS）：McLafferty転位、ラジカル開裂
こうして主役ごとに整理しておくと、選択肢のひっかけを瞬時に見抜けるようになりますよ！
