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什么是電子順磁共振,?

來源:南京新飛達(dá)光電科學(xué)技術(shù)有限公司   2023年12月18日 14:44  

電子順磁共振(electron paramagnetic resonance,EPR)是由不配對(duì)電子的磁矩發(fā)源的一種磁共振技術(shù),,可用于從定性和定量方面檢測物質(zhì)原子或分子中所含的不配對(duì)電子,,并探索其周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)特性。對(duì)自由基而言,,軌道磁矩幾乎不起作用,,總磁矩的絕大部分(99%以上)的貢獻(xiàn)來自電子自旋,所以電子順磁共振亦稱“電子自旋共振”(ESR),。


歷史進(jìn)程

電子順磁共振首先是由前蘇聯(lián)物理學(xué)家 E·K·扎沃伊斯基于1944年從MnCl2,、CuCl2等順磁性鹽類發(fā)現(xiàn)的。物理學(xué)家最初用這種技術(shù)研究某些復(fù)雜原子的電子結(jié)構(gòu),、晶體結(jié)構(gòu),、偶極矩及分子結(jié)構(gòu)等問題。以后化學(xué)家根據(jù)電子順磁共振測量結(jié)果,,闡明了復(fù)雜的有機(jī)化合物中的化學(xué)鍵和電子密度分布以及與反應(yīng)機(jī)理有關(guān)的許多問題,。美國的B·康芒納等人于1954年將電子順磁共振技術(shù)引入生物學(xué)的領(lǐng)域之中,他們?cè)谝恍┲参锱c動(dòng)物材料中觀察到有自由基存在,。20世紀(jì)60年代以來,,由于儀器不斷改進(jìn)和技術(shù)不斷創(chuàng)新,電子順磁共振技術(shù)已在物理學(xué),、半導(dǎo)體,、有機(jī)化學(xué)、絡(luò)合物化學(xué),、輻射化學(xué),、化工、海洋化學(xué),、催化劑,、生物學(xué)、生物化學(xué),、醫(yī)學(xué),、環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)探礦等許多領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用,。


基本原理

子是具有一定質(zhì)量和帶負(fù)電荷的一種基本粒子,,它能進(jìn)行兩種運(yùn)動(dòng);一種是在圍繞原子核的軌道上運(yùn)動(dòng),,另一種是對(duì)通過其中心的軸所作的自旋,。由于電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生力矩,在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生電流和磁矩。在外加恒磁場H中,,電子磁矩的作用如同細(xì)小的磁棒或磁針,,由于電子的自旋量子數(shù)為1/2,故電子在外磁場中只有兩種取向:一與H平行,,對(duì)應(yīng)于低能級(jí),,能量為-1/2gβH;一與H逆平行,,對(duì)應(yīng)于高能級(jí),,能量為+1/2gβH,兩能級(jí)之間的能量差為gβH,。若在垂直于H的方向,加上頻率為v的電磁波使恰能滿足hv=gβH這一條件時(shí),,低能級(jí)的電子即吸收電磁波能量而躍遷到高能級(jí),,此即所謂電子順磁共振。在上述產(chǎn)生電子順磁共振的基本條件中,,h為普朗克常數(shù),,g為波譜分裂因子(簡稱g因子或g值),β為電子磁矩的自然單位,,稱玻爾磁子,。以自由電子的g值=2.00232,β=9.2710×10-21爾格/高斯,,h=6.62620×10-27爾格·秒,,代入上式,可得電磁波頻率與共振磁場之間的關(guān)系式:(高斯)= 2.8025(兆赫) [1]

檢測對(duì)象

①在分子軌道中出現(xiàn)不配對(duì)電子(或稱單電子)的物質(zhì),。如自由基(含有一個(gè)單電子的分子),、雙基及多基(含有兩個(gè)及兩個(gè)以上單電子的分子)、三重態(tài)分子(在分子軌道中亦具有兩個(gè)單電子,,但它們相距很近,,彼此間有很強(qiáng)的磁的相互作用,與雙基不同)等,。
②在原子軌道中出現(xiàn)單電子的物質(zhì),,如堿金屬的原子、過渡金屬離子(包括鐵族,、鈀族,、鉑族離子,它們依次具有未充滿的3d,,4d,,5d殼層)、稀土金屬離子(具有未充滿的4f殼層)等。 [1]

波譜儀

絕大多數(shù)儀器工作于微波區(qū),,通常采用固定微波頻率v,,而改變磁場強(qiáng)度H來達(dá)到共振條件。但實(shí)際上v若太低,,則所用波導(dǎo)答尺寸要加大,,變得笨重,加工不便,,成本貴,;而v又不能太高,否則H必須相應(yīng)提高,,這時(shí)電磁鐵中的導(dǎo)線匝數(shù)要加多,,導(dǎo)線加粗,磁鐵要加大,,亦使加工困難,。


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