Co to jest rezonans spinowy elektronów?

Rezonans spinowy elektronów (ESR) jest formą spektroskopii stosowanej na materiałach paramagnetycznych - materiałach, które stają się magnetyczne pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. ESR jest również określany jako elektronowy rezonans paramagnetyczny lub EPR. Rezonans spinowy elektronów ma wiele zastosowań w chemii i biologii, a nawet ma zastosowanie w takich dziedzinach, jak obliczenia kwantowe.

Elektron przenosi ładunek i wiruje. Wywołuje zatem moment magnetyczny. Jeśli zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, moment magnetyczny elektronu zrówna się z kierunkiem pola magnetycznego. Możliwe jest również, że elektron wyrówna się w kierunku przeciwnym do pola magnetycznego, ale wymaga to więcej energii i nie jest naturalnym stanem elektronu. Jest to naukowy fundament rezonansu spinowego elektronów.

W przypadku ESR substancja z cząsteczkami, które mają dodatkowe lub niesparowane elektrony, jest umieszczana w polu magnetycznym, a energia, zwykle w postaci mikrofal, jest do niej doprowadzana. Niesparowane elektrony pochłoną energię elektromagnetyczną i przejdą do wyższego stanu energetycznego poprzez przestawienie momentów magnetycznych tak, aby były przeciwne do zewnętrznego pola magnetycznego. Częstotliwość energii pochłoniętej przez elektrony wskazuje na budowę chemiczną cząsteczki, z którą są związane. W ten sposób można zastosować rezonans spinowy elektronów do określenia składu chemicznego różnych materiałów.

Bardzo ważne jest, aby substancja miała niesparowane elektrony. Jest tak, ponieważ sparowane elektrony, zgodnie z zasadą wykluczenia Pauliego, będą miały obroty w przeciwnych kierunkach, a zatem nie będą miały momentu magnetycznego netto. Materiały te są znane jako diamagnetyczne i nie nadają się do ESR.

Podobnie jak w przypadku innych technik spektroskopii rezonansowej, elektrony stosowane w elektronowym rezonansie spinowym muszą mieć możliwość rozluźnienia i powrotu do swoich niższych stanów energetycznych. Jeśli nie, wszystkie elektrony zostaną wzbudzone i dalsza absorpcja nie będzie możliwa. W takim przypadku nie będzie nic do zmierzenia, w związku z czym nie zostanie wygenerowany żaden sygnał. Relacja spinowo-siatkowa, w której elektron dostarcza energię do swojego otoczenia, i relaksacja spinowo-spinowa, w której elektron przekazuje energię innemu elektronowi, to dwie metody, w których może wystąpić relaksacja.

ESR szczególnie dobrze nadaje się do wykrywania wolnych rodników, które są zestawem wysoce reaktywnych cząsteczek z niesparowanymi elektronami. Wolne rodniki są znane jako przyczyna wielu chorób, zatruć, a nawet nowotworów. Powodują również rozpad szkliwa zębów w znanym tempie, co oznacza, że ​​rezonans spinowy elektronu może być wykorzystany do datowania zębów, a tym samym ludzi. Nadmiar wolnych rodników jest również obecny w piwie i winie, które wygasły.

ESR jest także wiodącym kandydatem w szeregu najnowocześniejszych technologii. Należą do nich sztuczna fotosynteza i obliczenia kwantowe. W tym ostatnim, poprzez dostrajanie ESR do pracy na pojedynczym elektronie zamiast na grupie elektronów, można stworzyć bramę logiczną, która odpowiada stanom energii momentu magnetycznego elektronu.