Электронный парамагнитный резонанс

В базе магнитного резонанса лежит резонансное (избирательное) поглощение радиочастотного излучения атомными частичками, помещенными в неизменное магнитное поле. Большая часть простых частиц, подобно волчкам, крутятся вокруг своей оси. Если частичка обладает электронным зарядом, то при ее вращении появляется магнитное поле, т.е. она ведет себя подобно крохотному магниту. При содействии этого магнитика с наружным магнитным полем происходят явления, дозволяющие получить информацию о ядрах, атомах либо молекулах, в состав которых заходит данная простая частичка.

Способ магнитного резонанса представляет собой универсальный инструмент исследовательских работ, используемый в настолько разных областях науки, как биология, химия, геология и физика. Различают магнитные резонансы 2-ух главных видов: электрический парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс.

Электрический парамагнитный резонанс (ЭПР) был открыт Евгением Константиновичем Завойским в Казанском Институте в 1944 году. Он увидел, что монокристалл , помещенный в неизменное магнитное поле (4 мТл) поглощает микроволновое излучение определенной частоты (около 133 МГц).

Сущность данного эффекта заключается в последующем. Электроны в субстанциях ведут себя как микроскопичные магниты. Если поместить вещество в неизменное наружное магнитное поле и повлиять на него радиочастотным полем, то в различных субстанциях они будут переориентироваться по-разному и поглощение энергии будет избирательным. Возврат электронов к начальной ориентации сопровождается радиочастотным сигналом, который несет информацию о свойствах электронов и их окружении.

Расщепление Зеемана соответствует радиочастотному спектру. Ширина линий диапазона расщеплённого состояния определяется взаимодействием спинов электронов с их орбитальными моментами. Это определяет время релаксационных колебаний атомов как итог их взаимодействия с окружающими атомами. Потому ЭПР может служить средством исследования структуры внутреннего строения кристаллов и молекул, механизма кинетики хим реакций и других задач.

Рис. 1.7 Прецессия магнитного момента (М) парамагнетика в неизменном магнитном поле (). Приведенный набросок иллюстрирует явление прецессии электрона в магнитном поле. Под действием вращательного момента, создаваемого полем (), магнитный момент совершает радиальные вращения по образующей конуса с ларморовской частотой (). При наложении переменного магнитного поля, вектор напряженности () совершает радиальное движение с ларморовской частотой в плоскости, перпендикулярной вектору (). При всем этом происходит изменение угла прецессии, приводящее к опрокидыванию магнитного момента (М). Повышение угла прецессии () сопровождается поглощением энергии электрического поля, уменьшение угла () — излучением с частотой ().

Фактически удобнее использовать момент пришествия резкого поглощения энергии наружного поля при неизменной частоте и изменяемой индукции магнитного поля.

Рис. 1.8 Зависимость всасывающей возможности энергии наружного поля веществом от величины его вязкости. Чем посильнее взаимодействие меж атомами, молекулами тем обширнее диапазон ЭПР. Это позволяет судить о подвижности молекул, вязкости среды (>).

, , (1.8)

, (1.9)

где — гиромагнитное отношение.

К примеру, при частота электрического воздействия должна находиться в границах . Данный способ, представляющий из себя один из видов спектроскопии, используется при исследовании кристаллической структуры частей, химии живых клеток, хим связей в субстанциях и т.д.

На рис. 1.9 представлена структурная схема ЭПР-спектрометра. Принцип его работы основан на измерении степени резонансного поглощения веществом проходящего через него электрического излучения при изменяющейся напряженности наружного магнитного поля.

Рис. 1.9 Схема спектрометра ЭПР (а) и рассредотачивание силовых линий магнитного и электронного полей в резонаторе (б).

1 – генератор микроволнового излучения, 2 – волновод, 3- резонатор, 4 – магнит, 5 – сенсор микроволнового излучения, 6 – усилитель сигнала ЭПР, 7 – регистрирующие устройства (ЭВМ либо осциллограф).

Открытие ЭПР послужило основой для разработки ряда других способов исследования строения веществ, таких как акустический парамагнитный резонанс, ферро- и антиферромагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс. При явлении акустического парамагнитного резонанса переходы меж подуровнями инициируются наложением высокочастотных звуковых колебаний; в итоге появляется резонансное поглощение звука.

Применение способа ЭПР отдало ценные данные о строении стекол, кристаллов, смесей; в химии этот способ позволил установить строение огромного числа соединений, изучить цепные реакции и узнать роль свободных радикалов (молекул, владеющих свободной валентностью) в возникновении и протекании хим реакций. Тщательное исследование радикалов привело к решению ряда вопросов молекулярной и клеточной биологии.

Способ ЭПР – очень мощнейший исследовательский инструмент, он фактически незаменим при исследовании конфигураций в структурах, в том числе и в био. Чувствительность способа ЭПР очень высока и составляет парамагнитных молекул. На применении ЭПР основан поиск новых веществ для квантовых генераторов; явление ЭПР употребляется для генерации сверхмощных субмиллиметровых волн.