Elektronspin-rezonancia

Az elektronspin-rezonancia (rövidítve ESR, angolul Electron Spin Resonance) a spektroszkópiának egy ága. Az anyag fény-abszorpcióját vizsgálja erős mágneses tér jelenlétében. Az ESR hasonló a mágneses magrezonanciához (rövidítve NMR, angolul Nuclear Magnetic Resonance), de ESR esetén az abszorpció az elektronspinek és nem a magspinek rezonanciájának következménye.

ESR/EPR spektrométer

Az ESR több nagyon hasonló alcsoportra bontható, attól függően, hogy milyen mágneses tulajdonságú elektronspineken történik a megfigyelés.

• A legelterjedtebb az úgynevezett elektron paramágneses rezonancia (EPR, angolul Electron Paramagnetic Resonance). Az EPR általánosan a kémiában és a biológiában használatos, ahol izolált párosítatlan, és így paramágneses spineket vizsgálnak.
• Nagyon tiszta fémeken, illetve szerves vezetőkben megfigyelhető az úgynevezett vezetési elektronspin rezonancia (CESR, angolul Conduction Electron Spin Resonance), ahol a fémek Pauli-szuszceptibilitása mérhető.
• Antiferromágneses anyagokban megfigyelhető az úgynevezett antiferromágneses rezonancia (AFMR, angolul Antiferromagnetic Resonance).
• Ferromágnesesen rendezett anyagokban az úgynevezett ferromágneses rezonancia figyelhető meg (FMR, angolul Ferromagnetic Resonance).

Története

A jelenséget először Jevgenyij Zavojszkij szovjet fizikus figyelte meg 1944-ben, és párhuzamosan Brebis Bleaney fejlesztette tovább az oxfordi egyetemen.

Elmélet

Zeeman-felhasadás energiadiagramja

Az ESR elméletét legegyszerűbben egy külső mágneses térbe $(B_{O})$ helyezett feles spinű $(S={\frac {1}{2}})$ elektron esetén érthetjük meg. A mágneses tér nélkül degenerált $m_{S}=+{\frac {1}{2}}$ és $m_{S}=-{\frac {1}{2}}$ két spinállapot energiája külső mágneses térben $E_{S}=g\cdot \mu _{B}\cdot B_{0}\cdot m_{S}$ úgynevezett Zeeman-hatás kölcsönhatás szerint változik (ahogy a jobb oldali ábrán látszik). Így a két spinállapot közti enrgiakülönbség $\Delta E=g\cdot \mu _{B}\cdot B_{0}$ arányos a külső mágneses térrel. Ekkor ha $E=\hbar \omega =g\cdot \mu _{B}\cdot B_{0}$ energiájú fénnyel (elektromágneses hullámmal) besugározzuk a rendszert - ami pont a Zeeman energiakülönbségnek felel meg - a két spinállapot között átmeneteket hozhatunk létre. Tipikus laboratóriumi mágneses tér $B_{0}=0.3$ T így a megfelelö energiájú fény (elektromágneses hullám) frekvenciája $\omega =10$ GHz.

Az itt leírtak megegyeznek az NMR-nél találtakkal. Az egyetlen különbség, hogy a proton mágneses momentuma ezrede az elektron mágneses momentumának, így azonos mágneses térben az abszorpció frekvenciája is ezrede, azaz a MHz tartományba esik.

Alkalmazások

Kémiai alkalmazása olyan szerves, vagy szervetlen kémiai egyedek esetén elterjedt, amelyekben párosítatlan elektronok vannak jelen, vagyis szabad gyökök és átmenetifémeket tartalmazó szervetlen komplex vegyületek fordulnak elő.

A módszernek különös értéke az, hogy mivel egy vegyületben a párosított elektronok nem rezonálnak, a módszer speciálisan csak az ionokat, illetve komplexeket mutatja ki.