Электронный парамагнитный резонанс

Входы: состав.

Выходы: спектр.

Графическая иллюстрация:

Рис. 2.70. Расщепление энергетического уровня электрона в постоянном магнитном поле; Е₀ - уровень в отсутствие поля, Е₁ и Е₂ - уровни, возникающие в присутствии поля Н

Сущность:

Магнитный резонанс - избирательное поглощение веществом электромагнитных волн определённой длины волны, обусловленное изменением ориентации магнитных моментов электронов или атомных ядер.

Магнитный резонанс, обусловленный магнитными моментами электронов в парамагнетиках, называется электронным парамагнитным резонансом (ЭПР). Спектр ЭПР зависит как от спина, так и от орбитального движения электронов, входящих в состав парамагнитных атомов и молекул, и обычно чувствителен к внутрикристаллическому полю в месте расположения парамагнитной частицы.

ЭПР - явление квантовых переходов между энергетическими уровнями электронов парамагнитных тел под влиянием переменного магнитного поля резонансной частоты. В постоянном магнитном поле электронные уровни энергии парамагнитных атомов расцепляется на несколько подуровней; энергетическая разность подуровней определяется величиной поля и свойствами вещества; соответствующие квантовые переходы между этими подуровнями инициируются высокочастотным магнитным полем.

Открытие ЭПР послужило толчком для развития резонансных методов изучения вещества, в частности акустического парамагнитного резонанса (ферро- и антиферромагнитного резонанса магнитного резонанса). При явлении акустического парамагнитного резонанса переходы между подуровнями инициируются наложением высокочастотных звуковых колебаний, в результате возникает резонансное поглощение звука.

При ферромагнитном резонансе происходит избирательное поглощение энергии электромагнитного поля: эта энергия расходуется на возбуждение коллективных колебаний в магнитной упорядоченной структуре ферромагнетика (или антиферромагнетика).

Математическое описание:

В отсутствие постоянного магн. поля Н магнитные моменты неспаренных электронов направлены произвольно, состояние системы таких частиц вырождено по энергии. При наложении поля Н проекции магнитных моментов на направление поля принимают определенные значения и вырождение снимается, т. е. происходит расщепление уровня энергии электронов E₀. Расстояние между возникшими подуровнями зависит от напряженности поля Н и равно

(рис. 2.55),

где

g- фактор спектроскопич. расщепления,

- магнетон Бора, равный 9,274 x 10^-24 Дж/Тл;

- магнитная индукция,

где

- магн. проницаемость своб. пространства 1,257 x 10^-6 Гн/м.

Распределение электронов по подуровням подчиняется закону Больцмана, согласно которому отношение заселенностей подуровней определяется выражением

,

где

k - постоянная Больцмана,

Т - абс. температура.

Если на образец подействовать переменным магнитным полем с частотой v, такой, что

,

где

h - постоянная Планка

и направленным перпендикулярно H, то индуцируются переходы между соседними подуровнями, причем переходы с поглощением и испусканием кванта hv равновероятны. Т.к. на нижнем уровне число электронов больше в соответствии с распределением Больцмана, то преим. будет происходить резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля (его магнитной составляющей).

Применение.

В основе применения ЭПР лежит зависимость спектра вещества от его внутреннего строения.

Метод ЭПР практически незаменим при изучении радиационных изменений в структурах, в том числе и в биологических. Чувствительность метода очень велика и составляет 10¹⁰ парамагнитных молекул. На применении ЭПР основан поиск и проверка новых веществ для квантовых генераторов: явление ЭПР используется для генерации сверхмощных субмиллиметровых волн.

Метод ЭПР даёт информацию о парамагнитных центрах. Он однозначно различает примесные ионы, изоморфно входящие в решётку, от микровключений. При этом получается полная информация о данном ионе в кристалле: валентность, координация, локальная симметрия, гибридизация электронов, в сколько и какие структурные положения он входит, ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого иона, полная характеристика кристаллического поля и детальные сведения о химической связи. И, что очень важно, метод позволяет определить концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой.

А.с. 292101. Способ текущего контроля условной вязкости гудронов и жидких битумов отличается тем, что, с целью непрерывности определения, пропускают контролируемую струю по трубопроводу через резонатор спектрометра ЭПР и регистрируют условную вязкость по амплитуде линии спектра парамагнитного поглощения.

А.с. № 510 203. Способ определения поля у огурцов путем исследования семян отличается тем, что, с целью повышения производительности труда в селекционном процессе, измеряют спектр электронного парамагнитного резонанса и по величине сигнала судят о степени выраженности и принадлежности к полу: при величине сигнала электронного парамагнитного резонанса 0,56-0,68 относительных единиц и слабом свечении растения будут преимущественно мужского типа, а при сигнале 0,48-0,56 относительных единиц и интенсивном свечении - женского типа.

А.с. № 516 643. Способ оценки стабильности пластичных смазок путем сравнения свойств исходной и проработавшей в узле трения смазки отличается тем, что, с целью сокращения времени проведения испытаний микроколичества смазки, в исходную и проработавшие смазки вводят стабильный азотокислый радикал, снимают спектр ЭПГ, по параметрам спектра ЭПР определяют частоты вращательной диффузии радикала и по их отношению оценивают стабильность смазки.