Elektron paramagnit rezonansi

„Электрон парамагнит резонанси“ („ЭПР“) ёки „электрон спин резонанси“ („ЭСР“) — спектроскопияси жуфтлаштирилмаган электронларга эга бўлган материалларни ўрганиш усулидир. ЭПРнинг асосий тушунчалари ядро магнит-резонанси (ЙМР) тушунчаларига ўхшашдир, аммо қўзғатилган спинлар атом ядролари ўрнига электронларникидир. ЭПР спектроскопияси, айниқса, металл комплекслари ва органик радикалларни ўрганиш учун фойдалидир. ЭПР биринчи марта 1944-йилда Қозон давлат университетида совет физиги Евгений Завоиский ва бир вақтнинг ўзида Оксфорд университетида Британиялик физик Бребис Блеаней томонидан мустақил равишда ишлаб чиқилган.^[1]^[2]

Назария

ЭПР сигналининг келиб чиқиши

Ҳар бир электроннинг магнит моменти ва спин квант сони мавжуд ${\дисплайстйле с = \тфраc{1}{2}}$ , магнит компонентлар билан ${\дисплайстйле м_\матҳрм{с} = + \тфраc{1}{2}}$ ёки ${\дисплайстйле м_\матҳрм{с} = - \тфраc{1}{2}}$ . Кучли ташқи магнит майдон мавжудлигида ${\дисплайстйле Б_\матҳрм{0}}$ , электроннинг магнит моменти ўзини ёки антипараллел ( ${\дисплайстйле м_\матҳрм{с} = - \тфраc{1}{2}}$ ) ёки параллел ( ${\дисплайстйле м_\матҳрм{с} = + \тфраc{1}{2}}$ ) майдонга, ҳар бир текислаш Зеэман эффекти туфайли ўзига хос энергияга эга:

${\дисплайстйле Э = м_с г_э \му_\техт{Б} Б_0,}$

бу ерда

${\дисплайстйле г_э}$ электроннинг г -фактори (шунингдек , Ланде г -омилига қаранг), ${\дисплайстйле г_\матҳрм{э} = 2.0023}$ эркин электрон учун ^[3]
${\дисплайстйле \му_\техт{Б}}$ Бор магнитони ҳисобланади.
Шунинг учун, пастки ва юқори давлат ўртасидаги ажратиш ${\дисплайстйле \Делта Э = г_э \му_\техт{Б} Б_0}$ жуфтлаштирилмаган эркин электронлар учун. Бу тенглама қуйидагиларни назарда тутади:(чунки иккаласи ҳам ${\дисплайстйле г_э}$ ва ${\дисплайстйле \му_\техт{Б}}$ доимий) энергия даражаларининг бўлиниши қуйидаги диаграммада кўрсатилганидек, магнит майдон кучига тўғридан-тўғри пропорционалдир .
Жуфтланмаган электрон энергия фотонни ютиш ёки чиқариш орқали электрон спинини ўзгартириши мумкин ${\дисплайстйле ҳ \ну}$ резонанс ҳолати, ${\дисплайстйле ҳ \ну = \Делта Э}$ , итоат қилинади. Бу ЭПР спектроскопиясининг асосий тенгламасига олиб келади: ${\дисплайстйле ҳ \ну = г_э \му_\техт{Б} Б_0}$ .
Экспериментал равишда, бу тенглама частота ва магнит майдон қийматларининг катта комбинациясига рухсат беради, аммо ЭПР ўлчовларининг катта қисми 9000-10000 микротўлқинли печлар ёрдамида амалга оширилади. МГц (9–10 ГҲз) минтақаси, тахминан 3500 Г (0,35 Т) га тўғри келадиган майдонлар билан. Бундан ташқари, ЭПР спектрлари магнит майдонни доимий ушлаб турганда намунадаги фотон частотасини ўзгартириш ёки тескари ҳаракатни амалга ошириш орқали яратилиши мумкин. Амалда, одатда частота доимий равишда сақланади. Эркин радикаллар каби парамагнит марказларнинг тўплами белгиланган частотада микротўлқинларга таъсир қилади. Ташқи магнит майдонни ошириб, орасидаги бўшлиқ ${\дисплайстйле м_\матҳрм{с} = + \тфраc{1}{2}}$ ва ${\дисплайстйле м_\матҳрм{с} = - \тфраc{1}{2}}$ энергия ҳолатлари юқоридаги диаграммада қўш ўқ билан ифодаланганидек, микротўлқинларнинг энергиясига мос келгунча кенгайтирилади. Бу нуқтада жуфтлаштирилмаган электронлар иккита спин ҳолати ўртасида ҳаракатланиши мумкин. Максвелл-Болтзман тақсимоти (пастга қаранг) туфайли қуйи ҳолатда одатда кўпроқ электронлар мавжуд бўлгани сабабли, энергиянинг аниқ ютилиши мавжуд ва айнан шу ютилиш кузатилади ва спектрга айланади. Қуйидаги юқори спектр ўзгарувчан магнит майдондаги эркин электронлар тизими учун симуляция қилинган ютилишдир. Пастки спектр ютилиш спектрининг биринчи ҳосиласидир. Иккинчиси доимий тўлқинли ЭПР спектрларини ёзиб олиш ва нашр этишнинг энг кенг тарқалган усули ҳисобланади.
9388.4 МГц микротўлқинли частота учун, резонанс тахминан магнит майдонда содир бўлади ${\дисплайстйле Б_0 = ҳ \ну / г_э \му_\техт{Б}}$ = 0,3350 Т = 3350 Г
Электрон-ядро массалари фарқи туфайли электроннинг магнит моменти ҳар қандай ядро учун мос келадиган катталикдан сезиларли даражада каттароқдир, шунинг учун электрон билан ядрога қараганда бир хил тезликда спин резонанс ҳосил қилиш учун анча юқори электромагнит частота керак бўлади. Магнит майдон кучлари масалан, юқорида кўрсатилган 3350 Г майдони учун спин резонанси 9388,2 га яқин содир бўлади. Электрон учун МГц атиги 14,3 га нисбатан ¹ Ҳ ядролари учун МГц. (ЙМР спектроскопияси учун мос келадиган резонанс тенгламаси ${\дисплайстйле ҳ\ну = г_\матҳрм{Н} \му_\матҳрм{Н} Б_0}$ қаерда ${\дисплайстйле г_\матҳрм{Н}}$ ва ${\дисплайстйле \му_\матҳрм{Н}}$ ўрганилаётган ядрога боғлиқ.)

Майдон модуляцияси

Юқорида айтиб ўтилганидек, ЭПР спектри одатда ютилишнинг биринчи ҳосиласи сифатида бевосита ўлчанади. Бу майдон модуляцияси ёрдамида амалга оширилади. Одатда 100 частотада ташқи магнит майдонга кичик қўшимча тебранувчи магнит майдон қўлланади. кҲз^[4]. Чўққидан чўққига амплитудани аниқлаш орқали ютилишнинг биринчи ҳосиласи ўлчанади. Фазага сезгир аниқлаш ёрдамида фақат бир хил модуляцияга эга сигналлар (100 кҲз) аниқланади. Бу сигнал ва шовқин нисбатларининг юқори бўлишига олиб келади. Эслатма майдони модуляцияси доимий тўлқинли ЭПР ўлчовлари учун ноёбдир ва импулсли тажрибалар натижасида олинган спектрлар Ассимиляция профиллари сифатида тақдим этилади.

Худди шу ғоя лазерларни юқори нозик оптик бўшлиққа частотани қулфлаш учун Поунд-Древер-Ҳалл техникаси асосида ётади.

Импулсли электрон парамагнит резонанси

Электрон спинларининг динамикаси энг яхши импулсли ўлчовлар билан ўрганилади^[5]. Одатда 10-100 нс узунликдаги микротўлқинли импулслар Блоч сферасидаги айланишларни бошқариш учун ишлатилади. Спин-панжара бўшашиш вақтини инверсияни тиклаш тажрибаси билан ўлчаш мумкин.

Импулсли НМРда бўлгани каби, Ҳаҳн акс-садоси кўплаб импулсли ЭПР тажрибаларида марказий ўрин тутади. Қуйидаги анимацияда кўрсатилганидек, пасайиш вақтини ўлчаш учун Ҳаҳн эчо парчаланиши тажрибасидан фойдаланиш мумкин. Икки импулснинг турли оралиқлари учун акс-садонинг ўлчами қайд этилади. Бу томонидан қайта йўналтирилмаган деcоҳеренcе очиб беради ${\дисплайстйле \пи}$ пулс. Оддий ҳолларда, экспоненсиал парчаланиш ўлчанади, бу билан тавсифланади ${\дисплайстйле Т_2}$ вақт.

Импулсли электрон парамагнит резонанс радиочастоталардаги тўлқинлардан фойдаланадиган электрон ядровий қўш резонанс спектроскопиясига (ЭНДОР) ўтказилиши мумкин. Боғланмаган электронли турли ядролар турли тўлқин узунликларига жавоб берганлиги сабабли, баъзида радио частоталар талаб қилинади. ЭНДОР натижалари ядролар ва жуфтлаштирилмаган электрон ўртасидаги боғланиш резонансини берганлиги сабабли, улар орасидаги боғланишни аниқлаш мумкин.

Маълумотномалар

↑ "Спин-магнетиc ресонанcе ин парамагнетиcс". Физическиĭ Зҳурнал 9: 211–245. 1945.
↑ .
↑ "Неw меасуремент оф тҳе элеcтрон магнетиc момент усинг а оне-элеcтрон қуантум cйcлотрон". Пҳйсиcал Ревиэw Леттерс 97 (3): 030801. Жулй 2006. дои:10.1103/ПҳйсРевЛетт.97.030801. ПМИД 16907490.
↑ Чечик, Виcтор. Элеcтрон Парамагнетиc Ресонанcе. Охфорд, УК: Охфорд Университй Пресс, 2016. ИСБН 978-0-19-872760-6. ОCЛC 945390515.
↑ Счwеигер, Артҳур. Принcиплес оф Пулсе Элеcтрон Парамагнетиc Ресонанcе. Охфорд Университй Пресс, 2001. ИСБН 978-0-19-850634-8.

[1] "Спин-магнетиc ресонанcе ин парамагнетиcс". Физическиĭ Зҳурнал 9: 211–245. 1945.

[2] .

[3] "Неw меасуремент оф тҳе элеcтрон магнетиc момент усинг а оне-элеcтрон қуантум cйcлотрон". Пҳйсиcал Ревиэw Леттерс 97 (3): 030801. Жулй 2006. дои:10.1103/ПҳйсРевЛетт.97.030801. ПМИД 16907490.

[Chechik-4] Чечик, Виcтор. Элеcтрон Парамагнетиc Ресонанcе. Охфорд, УК: Охфорд Университй Пресс, 2016. ИСБН 978-0-19-872760-6. ОCЛC 945390515.

[5] Счwеигер, Артҳур. Принcиплес оф Пулсе Элеcтрон Парамагнетиc Ресонанcе. Охфорд Университй Пресс, 2001. ИСБН 978-0-19-850634-8.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]