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什么是电子顺磁共振?

更新时间:2023-12-18      点击次数:384

电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance,EPR)是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术,可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子,并探索其周围环境的结构特性。对自由基而言,轨道磁矩几乎不起作用,总磁矩的绝大部分(99%以上)的贡献来自电子自旋,所以电子顺磁共振亦称“电子自旋共振"(ESR)。


历史进程

电子顺磁共振首先是由前苏联物理学家 E·K·扎沃伊斯基于1944年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。物理学家最初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极矩及分子结构等问题。以后化学家根据电子顺磁共振测量结果,阐明了复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布以及与反应机理有关的许多问题。美国的B·康芒纳等人于1954年将电子顺磁共振技术引入生物学的领域之中,他们在一些植物与动物材料中观察到有自由基存在。20世纪60年代以来,由于仪器不断改进和技术不断创新,电子顺磁共振技术已在物理学、半导体、有机化学、络合物化学、辐射化学、化工、海洋化学、催化剂、生物学、生物化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛的应用。


基本原理

子是具有一定质量和带负电荷的一种基本粒子,它能进行两种运动;一种是在围绕原子核的轨道上运动,另一种是对通过其中心的轴所作的自旋。由于电子的运动产生力矩,在运动中产生电流和磁矩。在外加恒磁场H中,电子磁矩的作用如同细小的磁棒或磁针,由于电子的自旋量子数为1/2,故电子在外磁场中只有两种取向:一与H平行,对应于低能级,能量为-1/2gβH;一与H逆平行,对应于高能级,能量为+1/2gβH,两能级之间的能量差为gβH。若在垂直于H的方向,加上频率为v的电磁波使恰能满足hv=gβH这一条件时,低能级的电子即吸收电磁波能量而跃迁到高能级,此即所谓电子顺磁共振。在上述产生电子顺磁共振的基本条件中,h为普朗克常数,g为波谱分裂因子(简称g因子或g值),β为电子磁矩的自然单位,称玻尔磁子。以自由电子的g值=2.00232,β=9.2710×10-21尔格/高斯,h=6.62620×10-27尔格·秒,代入上式,可得电磁波频率与共振磁场之间的关系式:(高斯)= 2.8025(兆赫) [1]

检测对象

①在分子轨道中出现不配对电子(或称单电子)的物质。如自由基(含有一个单电子的分子)、双基及多基(含有两个及两个以上单电子的分子)、三重态分子(在分子轨道中亦具有两个单电子,但它们相距很近,彼此间有很强的磁的相互作用,与双基不同)等。
②在原子轨道中出现单电子的物质,如碱金属的原子、过渡金属离子(包括铁族、钯族、铂族离子,它们依次具有未充满的3d,4d,5d壳层)、稀土金属离子(具有未充满的4f壳层)等。 [1]

波谱仪

绝大多数仪器工作于微波区,通常采用固定微波频率v,而改变磁场强度H来达到共振条件。但实际上v若太低,则所用波导答尺寸要加大,变得笨重,加工不便,成本贵;而v又不能太高,否则H必须相应提高,这时电磁铁中的导线匝数要加多,导线加粗,磁铁要加大,亦使加工困难。


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