Что такое электронный спиновый резонанс?

Электронный спиновый резонанс (ЭПР) является формой спектроскопии, используемой на парамагнитных материалах - материалах, которые становятся магнитными при воздействии внешнего магнитного поля. ESR также упоминается как электронный парамагнитный резонанс, или EPR. Электронный спиновый резонанс имеет множество применений в химии и биологии и даже находит применение в таких областях, как квантовые вычисления.

Электрон несет заряд и вращается. Поэтому он вызывает магнитный момент. Если поместить во внешнее магнитное поле, магнитный момент электрона будет совпадать с направлением магнитного поля. Электрон также может выравниваться в противоположном направлении от магнитного поля, но это требует больше энергии и не является естественным состоянием электрона. Это научная основа электронного спинового резонанса.

С помощью СОЭ вещество с молекулами, имеющими лишние или непарные электроны, помещается в магнитное поле, и к нему прикладывается энергия, обычно в форме микроволн. Непарные электроны будут поглощать электромагнитную энергию и переходить в состояние с более высокой энергией, перестраивая свои магнитные моменты, чтобы быть противоположными внешнему приложенному магнитному полю. Частота энергии, поглощаемой электронами, указывает на химическую структуру молекулы, к которой они присоединены. Таким образом, электронный спиновый резонанс может быть использован для определения химического состава различных материалов.

Очень важно, чтобы у вещества были неспаренные электроны. Это связано с тем, что спаренные электроны, согласно принципу исключения Паули, будут вращаться в противоположных направлениях и, следовательно, не будут иметь магнитного момента. Эти материалы известны как диамагнитные и не подходят для СОЭ.

Как и в случае других методов резонансной спектроскопии, электронам, используемым в электронном спиновом резонансе, необходимо дать возможность расслабиться и вернуться в свои состояния с более низкой энергией. Если нет, все электроны будут возбуждены, и дальнейшее поглощение будет невозможным. В этом случае измерять нечего и, следовательно, сигнал не будет выдаваться. Спин-решеточная релаксация, когда электрон отдает энергию своему окружению, и спин-спиновая релаксация, где электрон отдает энергию другому электрону, - это два метода, с помощью которых может происходить релаксация.

ESR особенно хорошо подходит для обнаружения свободных радикалов, которые представляют собой набор высокореактивных молекул с неспаренными электронами. Известно, что свободные радикалы являются причиной ряда заболеваний, отравлений и даже рака. Они также вызывают разрушение зубной эмали с известной скоростью, что означает, что электронный спиновый резонанс может использоваться для датирования зубов и, следовательно, людей. Избыток свободных радикалов также присутствует в пиве и вине, срок годности которых истек.

ESR также является ведущим кандидатом в несколько передовых технологий. К ним относятся искусственный фотосинтез и квантовые вычисления. В последнем случае путем точной настройки ESR для работы на одном электроне вместо группы электронов можно создать логический вентиль, который соответствует энергетическим состояниям магнитного момента электрона.