Co je to elektronová odstředivá rezonance?

Elektronová spinová rezonance (ESR) je forma spektroskopie používaná na paramagnetické materiály - materiály, které se stávají magnetickými, když jsou vystaveny vnějšímu magnetickému poli. ESR se také označuje jako elektronová paramagnetická rezonance nebo EPR. Elektronová spinová rezonance má celou řadu aplikací v chemii a biologii a dokonce má využití v oborech, jako je kvantové zpracování.

Elektron nese náboj a točí se. Vyvolává proto magnetický moment. Pokud je umístěn do vnějšího magnetického pole, elektronový magnetický moment se vyrovná se směrem magnetického pole. Je také možné, aby se elektron vyrovnal v opačném směru magnetického pole, ale to vyžaduje více energie a není to přirozený stav elektronu. Toto je vědecký základ pro rezonanci elektronového spinu.

U ESR se látka s molekulami, které mají extra nebo nepárové, elektrony umístí do magnetického pole a na ni se aplikuje energie, obvykle ve formě mikrovln. Nepárové elektrony absorbují elektromagnetickou energii a přesunou se do vyššího energetického stavu přesměrováním svých magnetických momentů tak, aby byly oproti vnějšímu magnetickému poli. Frekvence energie absorbované elektrony ukazuje na chemickou strukturu molekuly, ke které jsou připojeny. Tímto způsobem lze pomocí elektronové spinové rezonance stanovit chemické složení různých materiálů.

Je důležité, aby látka měla nepárové elektrony. Důvodem je, že párové elektrony podle Pauliho principu vyloučení budou mít rotace v opačných směrech, a proto nebudou mít žádný čistý magnetický moment. Tyto materiály jsou známé jako diamagnetické a nejsou vhodné pro ESR.

Stejně jako u jiných technik rezonanční spektroskopie musí být elektronům použitým při elektronové spinové rezonanci umožněno relaxovat a vrátit se do svých nižších energetických stavů. Pokud ne, budou všechny elektrony nadšeny a nebude možná žádná další absorpce. V tomto případě nebude nic měřit a v důsledku toho nebude vydáván žádný signál. Spin-mřížová relaxace, kde elektron dává energii svému okolí, a spin-spinová relaxace, kde elektron dává energii jinému elektronu, jsou dvě metody, kterými může dojít k relaxaci.

ESR je zvláště vhodný pro detekci volných radikálů, které jsou sadou vysoce reaktivních molekul s nepárovými elektrony. O volných radikálech je známo, že jsou příčinou několika chorob, otrav a dokonce rakovin. Rovněž způsobují rozpad zubní skloviny známou rychlostí, což znamená, že rezonanci elektrónovým spinem lze použít k datování zubů, a tedy i lidí. Přebytečné volné radikály jsou také přítomny v pivu a víně, které uplynulo po jejich skladovatelnosti.

ESR je také předním kandidátem v několika špičkových technologiích. Patří mezi ně umělá fotosyntéza a kvantové zpracování. Ve druhém případě, jemným doladěním ESR pro práci na jediném elektronu místo skupiny elektronů, lze vytvořit logickou bránu, která odpovídá energetickým stavům magnetického momentu elektronů.