Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

ЭПР наблюдается в твердых веществах (кристаллических, поликристаллических и порошкообразных), а также жидких и газообразных. Важнейшим условием наблюдения ЭПР является отсутствие у образца электропроводимости и макроскопической намагниченности.

При благоприятных условиях минимальное количество спинов, которое можно зафиксировать в исследуемом образце, составляет 1010. Масса образца может составлять, при этом, от нескольких микрограмм до 500 миллиграмм. Во время ЭПР-исследования образец не разрушается и может быть использован в дальнейшем для других экспериментов.

Электронный парамагнитный резонанс

Явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) заключается в резонансном поглощении электромагнитного излучения в диапазоне радиочастот веществами, помещенными в постоянное магнитное поле, и обусловленное квантовыми переходами между энергетическими подуровнями, связанными с наличием магнитного момента у электронных систем. Также ЭПР называют электронный спиновый резонанс (ЭСР), магнитный спиновый резонанс (МСР) и, среди специалистов, работающих с магнитно-упорядоченными системами, ферромагнитный резонанс (ФМР).

Явление ЭПР можно наблюдать на:

  • атомах и молекулах, которые на своих орбиталях имеют нечетное количество электронов – H, N, NO2 и др.;
  • химических элементах в различных зарядовых состояниях, у которых не все электроны на внешних орбиталях участвуют в образовании химической связи – прежде всего, это d- и f-элементы;
  • свободных радикалах – метильный радикал, нитроксильные радикалы и др.;
  • электронных и дырочных дефектах, стабилизирующихся в матрице веществ, – O-, O2-, CO2-, CO23-, CO3-, CO33- и многих других;
  • молекулах с четным числом электронов, парамагнетизм которых обусловлен квантовыми явлениями распределения электронов по молекулярным орбиталям – О2;
  • наночастицах-суперпарамагнетиках, образующихся при растворении или в сплавах, обладающих коллективным магнитным моментом, которые ведут себя подобно электронному газу.

Структура и свойства спектров ЭПР

Поведение магнитных моментов в магнитном поле зависит от различных взаимодействий неспаренных электронов, как между собой, так и с ближайшим окружением.

Важнейшими из них считаются спин-спиновые и спин-орбитальные взаимодействия, взаимодействия между неспаренными электронами и ядрами, на которых они локализуются (сверхтонкие взаимодействия), взаимодействия с электростатическим потенциалом, создаваемым ионами ближайшего окружения в месте локализации неспаренных электронов и другие.

Большинство перечисленных взаимодействий приводит к закономерному расщеплению линий. В общем случае спектр ЭПР парамагнитного центра является многокомпонентным. Представление об иерархии основных расщеплений можно получить из следующей схемы (определения используемых обозначений даны ниже):

Основными характеристиками ЭПР-спектра парамагнитного центра (ПЦ) являются:

      • количество линий в спектре ЭПР конкретного ПЦ и их относительные интенсивности.

           • Тонкая структура (ТС).

Число линий ТС определяется величиной спина S ПЦ и локальной симметрией электростатического поля ближайшего окружения, а относительные интегральные интенсивности определяются квантовым числом mS (величина проекции спина на направление магнитного поля). В кристаллах расстояние между линиями ТС зависит от величины потенциала кристаллического поля и его симметрии.

           • Сверхтонкая структура (СТС). Линии СТС от конкретного изотопа имеют приблизительно одинаковую интегральную интенсивность и практически эквидистантны. Если ядро ПЦ имеет несколько изотопов, то каждый изотоп дает свой набор линий СТС.

Их количество определяется спином I ядра изотопа, около которого локализован неспаренный электрон.

Относительные интенсивности линий СТС от различных изотопов ПЦ пропорциональны естественной распространенности этих изотопов в образце, а расстояние между линиями СТС зависит от величины магнитного момента ядра конкретного изотопа, константы сверхтонкого взаимодействия и степени делокализации неспаренных электронов на этом ядре.

           • Суперсверхтонкая структура (ССТС). Число линий ССТС зависит от числа nл эквивалентных лигандов, с которыми взаимодействует неспаренная спиновая плотность и величины ядерного спина Iл их изотопов.

Характерным признаком таких линий также является распределение их интегральных интенсивностей, которое в случае Iл=1/2 подчиняется закону биномиального распределения с показателем степени nл.

Расстояние между линиями ССТС зависит от величины магнитного момента ядер, константы сверхтонкого взаимодействия и степени локализации неспаренных электронов на этих ядрах.

      • спектроскопические характеристики линии.
Особенностью спектров ЭПР является форма их записи. По многим причинам спектр ЭПР записывается не в виде линий поглощения, а как производная от этих линий. Поэтому, в ЭПР-спектроскопии принята несколько иная, отличная от общепринятой, терминология для обозначения параметров линий.

Линия ЭПР поглощения и ее первая производная: 1 – гауссова форма; 2 – лоренцева форма.

• Истинная линия – δ-функция, но с учетом релаксационных процессов имеет форму Лоренца.

• Линия – отражает вероятность процесса резонансного поглощения электромагнитного излучения ПЦ и определяется процессами, в которых участвуют спины.

• Форма линии – отражает закон распределения вероятности резонансных переходов. Поскольку, в первом приближении, отклонения от резонансных условий носят случайный характер, форма линий в магниторазбавленных матрицах имеет гауссову форму. Наличие дополнительно обменных спин-спиновых взаимодействий приводит к лоренцевой форме линии. В общем случае форма линии описывается смешанным законом.

• Ширина линии – ΔВmax – cоответствует расстоянию по полю между экстремумами на кривой линии.

• Амплитуда линии – Imax – соответствует по шкале амплитуды сигнала расстоянию между экстремумами на кривой линии.

• Интенсивность – I0 – значение вероятности в точке МАХ на кривой поглощения, вычисляется при интегрировании по контуру линии записи;

• Интегральная интенсивность – площадь под кривой поглощения, пропорциональна количеству парамагнитных центров в образце и вычисляется путем двойного интегрирования линии записи, сначала по контуру, затем по полю.

• Положение линии – В0 – соответствует пересечению контура производной dI/dB с нулевой линией (линией тренда).

      • положение линий ЭПР в спектре.
Согласно выражению ħν = gβB, определяющему условия резонансного поглощения для ПЦ со спином S = 1/2, положение линии электронного парамагнитного резонанса можно охарактеризовать значением g-фактора (аналог фактора спектроскопического расщепления Ланде).

Величина g-фактора определяется как отношение частоты ν, на которой проводилось измерение спектра к величине магнитной индукции В0, при которой наблюдался максимум эффекта. Следует отметить, что для парамагнитных центров g-фактор характеризует ПЦ как целое, т. е.

не отдельную линию в спектре ЭПР, а всю совокупность линий, обусловленных исследуемым ПЦ.

В ЭПР экспериментах фиксируется энергия электромагнитного кванта, то есть частота ν, а магнитное поле В может изменяться в широких пределах. Выделяются некоторые, довольно узкие, диапазоны СВЧ-частот, в которых работают спектрометры. Каждый диапазон имеет свое обозначение:

Диапазон(BAND) Частотаν, МГц (ГГц) Длина волныλ, мм Магнитная индукция В0, при которой наблюдается сигнал ЭПР свободного электрона с g = 2.0023, Гс (Т)
L1000 (1)300300 (0.03)
S3000 (3)1001100 (0.11)
X9500 (9.5)323300 (0.33)
K24000 (24)12.58600 (0.86)
Q35000 (35)8.512500 (1.25)
W95000 (95)3.234000 (3.40)
190000 (190)1.668000 (6.80)

Наибольшее распространение получили спектрометры X- и Q-диапазонов. Магнитное поле в таких ЭПР спектрометрах создается резистивными электромагнитами.

В спектрометрах с большей энергией кванта магнитное поле создается уже на основе сверхпроводящих магнитов.

В настоящее время в РЦ МРМИ ЭПР-оборудование представляет собой многофункциональный спектрометр Х-диапазона с резистивным магнитом, позволяющим проводить эксперименты в магнитных полях с индукцией от -11000 Г до 11000 Г.

1. CW

Базовым является CW-режим или режим медленного дифференциального прохождения через резонансные условия. В этом режиме реализуются все классические спектроскопические методики. Он предназначен для получения информации о физической природе парамагнитного центра, месте его локализации в матрице вещества и его ближайшем атомно-молекулярном окружении.

Исследования ПЦ в CW-режиме позволяют получить, в первую очередь, исчерпывающую информацию о возможных энергетических состояниях изучаемого объекта. Информацию о динамических характеристиках спиновых систем можно получить, наблюдая ЭПР, например, при различных температурах образца или при воздействии на него фотонами.

Для ПЦ, находящихся в триплетном состоянии, дополнительное фотооблучение пробы является обязательным.

Пример

На рисунке представлен спектр эмали зуба бизона (лат. Bison antiquus) из коллекции, отобранной в  2005 г. Сибирской археологической экспедицией ИИМК РАН, проводившей спасательные раскопки на памятнике эпохи верхнего палеолита Берёзовский разрез 2, расположенного на территории угольного разреза «Берёзовский 1».

Зубная эмаль состоит почти из чистого гидроксиапатита Ca(1)4Ca(2)6(PO4)6(OH)2. В структуре гидроксиапатита также содержится 3-4% карбонатов.

Облучение измельченной зубной эмали гамма-излучением приводит к возникновению сложного асимметричного сигнала (АС) ЭПР вблизи значения g=2. Этот сигнал исследуется в задачах дозиметрии, датирования, медицины и как источник информации о структуре апатита.

Основную часть радикалов, возникающих при облучении зубной эмали, составляют анионы карбонатов, т.е. CO2-, CO3-, CO- и CO33-.

На спектре зарегистрирован сигнал от аксиально-симметричных парамагнитных центров CO2- с g‖ = 1.9975 ± 0.0005 и g┴ = 2.0032 ± 0.0005. Сигнал является радиоиндуцированным, т. е. ПЦ образовались под действием ионизирующего излучения (радиации).

Интенсивность сигнала CO2- несет информацию о дозе радиации, полученной объектом за время его существования. В частности, на исследованиях сигналов CO2- в спектрах зубной эмали основаны дозиметрические методы анализа и контроля радиации (ГОСТ Р 22.3.04-96).

В данном и многих других случаях возможно датирование минерального образца методом ЭПР. Возрастной диапазон, перекрываемый ЭПР-методом датирования составляет от сотен лет до 105 и даже 106 лет, что превышает возможности радиоуглеродного метода.

Образец, спектры которого приведены на рисунке, был датирован методом ЭПР и имеет возраст 18000 ± 3000 лет.

2. FT

Для изучения динамических характеристик центров целесообразно применять импульсные методы. В этом случае применяют FT-режим работы спектрометра ЭПР. В таких экспериментах образец в определенном энергетическом состоянии подвергается сильному импульсному воздействию электромагнитного излучения.

Спиновая система выводится из равновесия, и регистрируется реакция системы на это воздействие. Выбирая различные последовательности импульсов и варьируя их параметры (длительность импульса, расстояние между импульсами, амплитуду и т. д.

) можно значительно расширить представление о динамических характеристиках ПЦ (временах релаксации Т1 и Т2, диффузии и пр.).

3. ESE (методика электронного спинового эха)

Метод ESE может быть использован для получения спектра двойного электрон-ядерного резонанса, чтобы сэкономить время записи или в случае отсутствия специального оборудования ENDOR.

Пример:

Исследуемый образец: зубная эмаль, состоящая из гидроксиапатита Ca(1)4Ca(2)6(PO4)6(OH)2. Исследовался сигнал радикалов CO2-, находящихся в структуре гидроксиапатита.

Спад свободной индукции (FID) представлен набором колебаний, называемых модуляцией. Модуляция несет информацию о резонансных частотах ядер, окружающих парамагнитный центр.

В результате Фурье-преобразования временной зависимости FID получен спектр ядерного магнитного резонанса.

На частоте 14 MHz находится сигнал 1Н, следовательно, исследуемые группы CO2- взаимодействуют с расположенными в их окружении протонами.

4. ENDOR

Наиболее распространенной методикой двойного резонанса является метод двойного электронно-ядерного резонанса – ДЭЯР (ENDOR), позволяющий изучать процессы взаимодействия неспаренного электрона как с собственным ядром, так и с ядрами его ближайшего окружения. При этом чувствительность метода ЯМР может возрастать в десятки и даже тысячи раз по отношению к стандартным методам. Описанные методики реализуются как в CW-режиме, так и FT-режиме.

Пример

На рисунке приведен ENDOR спектр биологического гидроксиапатита (зубной эмали). Метод был использован для получения информации об окружении содержащихся в эмали парамагнитных центров CO2-.

Зарегистрированы сигналы от ядерного окружения центра CO2- на частотах 14 MHz и 5.6 MHz. Сигнал на частоте 14 MHz относится к ядрам водорода, а сигнал на частоте 5.6 MHz – к ядрам фосфора.

Исходя из структурной особенности биологического апатита, можно сделать вывод, что исследуемый парамагнитный центр CO2- находится в окружении анионов OH- и PO4-.

5. ELDOR (на данный момент в РЦ недоступна)

ELDOR (ELectron DOuble Resonance, электронный двойной резонанс) представляет собой разновидность методики двойного резонанса.

В этом методе изучается взаимодействие между двумя электронными спиновыми системами, причем спектр ЭПР от одной электронной системы регистрируется при помощи возбуждения другой.

Для наблюдения сигнала необходимо существование механизма, связывающего «наблюдаемую» и «накачиваемую» системы. Примерами таких механизмов являются дипольное взаимодействие между спинами, молекулярное движение.

Источник: http://researchpark.spbu.ru/itkn-metods-rus-2/1123-cmr-epr-rus

ЭПР

Итак, явление электронного парамагнитного резонанса состоит в поглощении парамагнетиком микроволнового радиоизлучения за счет переходов между подуровнями расщепления Зеемана.

При этом расщепление энергоуровней вызвано воздействием постоянного магнитного поля на магнитные моменты атомов вещества. Магнитные моменты атомов в таком поле ориентируются по полю.

Одновременно с эти идет расщепление энергоуровней Зеемана и перераспределение по данным уровням атомов. Заполняемость атомами подуровней оказывается разной.

В состоянии термодинамического равновесия среднее количество атомов ($\left\langle N\right\rangle $), заселяющих данный подуровень можно вычислить, используя формулу Больцмана:

где $\triangle E_{mag}\sim mH$. Подуровни с меньшим магнитным квантовым числом ($m$) имеют больше атомов, как состояния с меньшей потенциальной энергией. Значит, существует преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по магнитному полю, которая соответствует намагниченному состоянию парамагнетика.

В случае накладывания на парамагнетик переменного магнитного поля с частотой равной (кратной) частоте перехода между подуровнями расщепления Зеемана происходит резонансное поглощение электромагнитных волн.

Оно вызвано превышением количества переходов, которые связаны с увеличением магнитного квантового числа на один:

над количеством переходов типа:

Так, из-за резонансного поглощения энергии переменного магнитного поля атомы будут совершать переходы с нижних более заполненных уровней, на верхние уровни. Поглощение пропорционально количеству поглощающих атомов в единице объема.

Если вещество составлено из атомов с одним валентным электроном в состоянии s, имеющих полный магнитный момент равный спиновому магнитному моменту s — электрона, то ЭПР наиболее эффективен.

Особенным парамагнитным резонансом считают резонансное поглощение электромагнитных волн электронами проводимости в металлах. Оно связано со спином электронов и спиновым парамагнетизмом электронного газа в таком веществе. В ферромагнетиках выделяют ферромагнитный резонанс, который связывают с переориентацией электронных моментов в доменах или между ними.

Для изучения электронного парамагнитного резонанса используют радиоспектроскопы. В таких приборах частота ($\omega $) остается неизменной. Изменяют индукцию магнитного поля (B), которое создает электромагнит (рис.1).

Рисунок 1. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Маленький образец А располагают в объемном резонаторе R, который настроен на длину волны около 3 см. Радиоволны такой длины создаются генератором G. Эти волны через волновод V подводят к резонатору.

Часть волн поглощается образцом А, часть из них через волновод попадают в детектор D. При проведении опыта проводят плавное изменение индукции магнитного поля (B), которое создается электромагнитом.

Когда величина индукции удовлетворяет условию возникновения резонанса (2) образец начинает интенсивно поглощать волну.

Замечание 1

ЭПР один из самых простых методов радиоспектроскопии.

Примеры

Пример 1

Задание: Каков магнитный момент атома $Ni$ в состоянии ${{}3F}_4$, если резонансное поглощение энергии возникает при воздействии постоянного поля с магнитной индукцией $B_0$ и переменного магнитного поля с индукцией $B_0$, перпендикулярного к постоянному полю. Частота переменного поля равна $u $.

Решение:

Как известно в состоянии резонанса выполняется равенство:

\[\hbar \omega =hu =\delta E={\mu }_bgB\left(1.1\right).\]

Из формулы (1.1) найдем фактор Ланде:

\[g=\frac{hu }{{\mu }_bB_0,\ }.\]

Для заданного состояния (${{}3F}_4$) имеем: $L=3$, $S=1$, $J=4$. Магнитный момент задан при помощи выражения:

\[\mu ={\mu }_bg\sqrt{J(J+1)}=\frac{hu }{B_0,\ }\sqrt{20}.\]

Ответ: $\mu =\frac{hu }{B_0,\ }\sqrt{20}.$

Пример 2

Задание: Какую полезную информацию можно получить при изучении электронного парамагнитного резонанса?

Решение:

Эмпирически получив резонанс из условий резонанса можно найти одну из величин: фактор Ланде ($g$), индукцию магнитного поля в условиях резонансного поглощения энергии атомом (B), резонансную частоту (${\omega }_{rez}$). При этом B и ${\omega }_{rez}$ можно измерить с высокой точностью.

Следовательно, ЭПР дает возможность получить значение $g\ $с высокой точностью и, следовательно, магнитный момент атома для состояния с квантовым числом $J$. Величина квантового числа S определяется по мультиплетности спектров. Если известны $g,\ J,\ S$ легко вычислить $L$.

Получается, что становятся известными все квантовые числа атома и спиновый орбитальный и полный магнитный моменты атома.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/predmet_i_zadachi_atomnoy_fiziki/elektronnyy_paramagnitnyy_rezonans_epr/

ЭЛЕКТРО́ННЫЙ ПАРАМАГНИ́ТНЫЙ РЕЗОНА́НС

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

ЭЛЕКТРО́ННЫЙ ПАРАМАГНИ́ТНЫЙ РЕ­ЗОНА́НС (ЭПР), ре­зо­нанс­ное по­гло­ще­ние элек­тро­маг­нит­ной энер­гии ве­ще­ст­ва­ми, со­дер­жа­щи­ми па­ра­маг­нит­ные час­ти­цы. Па­ра­маг­нит­ны­ми яв­ля­ют­ся час­ти­цы, об­ла­даю­щие маг­нит­ным мо­мен­том, – ато­мы и мо­ле­ку­лы с не­чёт­ным чис­лом элек­тро­нов (напр.

, ато­мы N, H, мо­ле­ку­ла NO); ра­ди­ка­лы сво­бод­ные (напр., Н3); ио­ны с час­тич­но за­пол­нен­ны­ми внутр. обо­лоч­ка­ми (напр.

, ио­ны пе­ре­ход­ных эле­мен­тов); цен­тры ок­ра­ски в кри­стал­лах; элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти в ме­тал­лах и по­лу­про­вод­ни­ках; на­но­ча­сти­цы-су­пер­па­ра­маг­не­ти­ки, об­ра­зую­щие­ся при рас­тво­ре­нии или в спла­вах, об­ла­даю­щих кол­лек­тив­ным маг­нит­ным мо­мен­том, ко­то­рые ве­дут се­бя по­доб­но элек­трон­но­му га­зу.

ЭПР – один из ме­то­дов ра­диоспек­тро­ско­пии; на­блю­да­ет­ся обыч­но в мил­ли- и сан­ти­мет­ро­вом диа­па­зо­нах длин волн (2–30 мм) и яв­ля­ет­ся ча­ст­ным слу­ча­ем маг­нит­но­го ре­зо­нан­са. От­крыт Е. К. За­вой­ским в 1944.

В по­сто­ян­ном маг­нит­ном по­ле на­пря­жён­но­сти Н уров­ни энер­гии па­ра­маг­нит­ной час­ти­цы со спи­ном S и маг­нит­ным мо­мен­том μ за счёт про­стран­ст­вен­но­го кван­то­ва­ния рас­ще­п­ля­ют­ся на 2S+1 маг­нит­ных по­ду­ров­ней, раз­ли­чаю­щих­ся по энер­гии на ве­ли­чи­ну Δℰ=2μH (см. Зее­ма­на эф­фект). В слу­чае сво­бод­но­го элек­тро­на (рис., a) S=1/2, маг­нит­ный мо­мент μ=gSμБMS, где gS≈2 (g-фак­тор сво­бод­но­го элек­тро­на), μБ – маг­не­тон Бо­ра, MS=±1/2 (маг­нит­ное кван­то­вое чис­ло). В по­ле H энер­гия ℰ элек­тро­на мо­жет при­ни­мать 2 зна­че­ния: ℰ1=-1/2gSμБH и ℰ2=+1/2gSμБH. Пе­ре­ходы ме­ж­ду маг­нит­ны­ми по­ду­ров­ня­ми воз­мож­ны, ес­ли квант элек­тро­маг­нит­ной энер­гии ћω (ω  – час­то­та, ћ  – постоян­ная План­ка) ра­вен Δℰ , т. е. ћω=Δℰ=gSμБH, при этом про­ис­хо­дит од­но­вре­мен­ное из­ме­не­ние на­прав­ле­ния спи­на ΔMS=±1. При пе­ре­хо­де с ниж­не­го уров­ня на верх­ний энер­гия по­гло­ща­ет­ся, при об­рат­ном – из­лу­ча­ет­ся. Ве­ро­ят­ность этих про­цес­сов оди­на­ко­ва, но т. к. в ус­ло­ви­ях тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия, со­глас­но Больц­ма­на рас­пре­де­ле­нию, на­се­лён­ность ниж­не­го уров­ня боль­ше, чем верх­не­го, то энер­гия по­гло­ща­ет­ся.

Для час­тиц, со­дер­жа­щих неск. элек­тро­нов, S мо­жет при­ни­мать лю­бое крат­ное 1/2 зна­че­ние (рис., б и в), а энер­гия уров­ней ℰ=gμБMSH, где MS мо­жет иметь (2S+1) зна­че­ний.

Ве­ли­чи­на g-фак­то­ра оп­ре­де­ля­ет­ся сум­мар­ным зна­че­ни­ем спи­но­во­го и ор­би­таль­но­го мо­мен­тов ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния элек­тро­на и мо­жет в неск. раз от­ли­чать­ся от gS.

Ме­ж­ду уров­ня­ми, раз­ли­чаю­щи­ми­ся по MS на ве­ли­чи­ну ΔMS=±1, воз­мож­ны маг­нит­ные ди­поль­ные пе­ре­хо­ды, и ус­ло­вие ре­зо­нан­са по-преж­не­му бу­дет ћω=Δℰ=gSμБH.

Взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­нов с элек­трич. внут­ри­кри­стал­ли­че­ским по­лем для S⩾1 при­во­дит к рас­ще­п­ле­нию уров­ней энер­гии с разл. зна­че­ния­ми ∣MS∣. В ре­зуль­та­те в спек­тре ЭПР по­яв­ля­ет­ся неск. ли­ний по­гло­ще­ния (тон­кая струк­ту­ра).

Взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­нов с маг­нит­ным мо­мен­том яд­ра па­ра­маг­нит­но­го ато­ма при­во­дит к по­яв­ле­нию в спек­тре ЭПР сверх­тон­кой струк­ту­ры, а взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­нов с маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми ядер ок­ру­жаю­щих ио­нов – к су­пер­сверх­тон­кой струк­ту­ре; их изу­че­ние по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить ме­сто на­хо­ж­де­ния не­спа­рен­ных элек­тро­нов.

Ре­лак­са­ци­он­ные про­цес­сы, вос­ста­нав­ли­ваю­щие рав­но­ве­сие в сис­те­ме элек­трон­ных спи­нов, на­ру­шен­ное в ре­зуль­та­те по­гло­ще­ния элек­тро­маг­нит­ной энер­гии, ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вре­ме­на­ми ре­лак­са­ции Т1 и T2.

Ши­ри­на ли­нии ЭПР Δω=1/T1+1/T2, где T1 – вре­мя спин-ре­шё­точ­ной ре­лак­са­ции, ха­рак­те­ри­зу­ет ско­рость вос­ста­нов­ле­ния рав­но­ве­сия ме­ж­ду спи­но­вой сис­те­мой и ре­шёт­кой, оп­ре­де­ля­ет­ся взаи­мо­дей­ст­ви­ем маг­нит­ных мо­мен­тов час­тиц с ко­ле­ба­ния­ми кри­стал­лич.

ре­шёт­ки, при по­ни­же­нии темп-ры уве­ли­чи­ва­ет­ся; T2 – вре­мя спин-спи­новой ре­лак­са­ции, ха­рак­те­ри­зу­ет ско­рость вос­ста­нов­ле­ния рав­но­ве­сия в спи­но­вой сис­те­ме и прак­ти­че­ски не за­ви­сит от темп-ры.

Для из­ме­ре­ния ЭПР ис­поль­зу­ют ра­дио­спек­тро­мет­ры (ЭПР-спек­тро­мет­ры), в ко­то­рых при по­сто­ян­ной час­то­те и мед­лен­ном из­ме­не­нии маг­нит­но­го по­ля ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся из­ме­не­ние по­гло­щае­мой в об­раз­це мощ­но­сти. Наи­бо­лее хо­ро­шо изу­че­ны спек­тры ЭПР ио­нов пе­ре­ход­ных ме­тал­лов.

Из­ме­ре­ния про­во­дят на мо­но­кри­стал­лах, яв­ляю­щих­ся диа­маг­нит­ны­ми ди­элек­три­ка­ми, в ко­то­рые вво­дят при­ме­си (0,001–0,1%) па­ра­маг­нит­ных ио­нов. Сим­мет­рия внут­ри­кри­стал­лич. по­ля оп­ре­де­ля­ет сим­мет­рию g-фак­то­ра и кон­стант тон­ко­го и сверх­тон­ко­го взаи­мо­дей­ст­вий, а его на­пря­жён­ность – их ве­ли­чи­ну. ЭПР – осн.

ме­тод ис­сле­до­ва­ния сво­бод­ных ра­ди­ка­лов в кон­ден­си­ров. сре­дах.

ЭПР ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в разл. об­лас­тях фи­зи­ки, хи­мии, гео­ло­гии, био­ло­гии, ме­ди­ци­не. Ин­тен­сив­но ис­поль­зу­ет­ся для изу­че­ния по­верх­но­сти твёр­дых тел и по­лу­про­вод­ни­ков, фа­зо­вых пе­ре­хо­дов, не­упо­ря­до­чен­ных сис­тем, фер­мен­тов и сво­бод­ных ра­ди­ка­лов в био­ло­гич. сис­те­мах, в ра­диа­ци­он­ной и фо­то­хи­мии, в ка­та­ли­зе.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/4929818

Booksm
Добавить комментарий