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 $\mathrm{\Delta }E=g\cdot {\mu }_B\cdot B_0$ arányos a külső mágneses térrel. Ekkor ha $E=\hslash \omega =g\cdot {\mu }_B\cdot B_0$ 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.