Электронный парамагнитный резонанс.

Электронный парамагнитный резонанс – это спектрографический метод изучения вещества, несколько напоминающий циклотронный резонанс. Он также наблюдается в магнитных полях, но не на свободных электронах, а на атомах или ионах, находящихся в квантовых состояниях с полным моментом импульса . Такие атомы или ионы обычно являются парамагнитными центрами кристаллов.

В результате взаимодействия с магнитным полем уровень с расщепляется на зеемановских подуровней, положение которых определяется напряженностью магнитного поля. Эти подуровни эквидистантны (находятся на одинаковом расстоянии друг от друга), и между ними возможны резонансные переходы, вызванные дополнительным электромагнитным полем. Правила отбора переходов между подуровнями определяются интегралами от волновых функций. Они таковы, что переходы происходят только между соседними подуровнями. Это упрощает анализ результатов наблюдения.

Наблюдения проводятся в геометрии, когда переменное электромагнитное поле приложено перпендикулярно магнитному полю (как и при наблюдении диамагнитного резонанса). При резонансном совпадении энергии электронного перехода между подуровнями с энергией фотона происходит поглощение фотонов, что и регистрируется. Особенность метода в том, что внешнее магнитное поле легко изменять, подстраивая систему под резонанс с ЭМП. Такая перестройка резонанса позволяет просмотреть широкий спектр состояний вещества и определить его состав. В отличие от методов оптической спектрографии, электронный парамагнитный резонанс не связан с сильным нагревом или разрушением образца. Поэтому такой метод применим для исследования не только биологических, но даже живых объектов.

Поглощение ЭМВ происходит одновременно с их спонтанным и вынужденным испусканием. Поэтому для эффективности метода необходимо, чтобы разность заселенность подуровней была больше (нижний уровень должен быть заселен сильнее, чем верхний; в этом отношении установка для электронного парамагнитного резонанса противоположна лазеру с инверсной заселенностью). Из-за этого в тех случаях, когда это возможно, измерения проводят при низких температурах. Но благодаря большой эффективности безызлучательных переходов (в твердых и жидких образцах), имеются хорошие возможности и для работы при комнатных температурах.

Информация, получаемая с помощью парамагнитного резонанса, позволяет определить полную информацию о состоянии иона в кристалле (валентность, ориентировку внутри кристаллических полей, характеристики химических связей и др.). При этом возможная переориентация магнитного и ЭМП полей относительно осей кристалла позволяет получить все анизотропные характеристики не только данного иона, но и кристалла в целом.

Для проведения исследований с помощью электронного парамагнитного резонанса используют два типа спектрометров. Первый использует непрерывное воздействие полей на образец. Второй – импульсное воздействие. При использовании непрерывного излучения чаще регистрируется не сама линия резонансного поглощения, а ее производная. Регистрация производной от поглощения повышает разрешающую способность спектрометра. При этом используется магнитное поле с линейно нарастающей напряженностью. Частоты ЭМП при этом обычно фиксированы. Они лежат в диапазоне СВЧ-частот порядка 10 – 40 ГГц.

Импульсные исследования требуют более качественной регистрирующей системы. Они часто применяются при использовании метода электронного парамагнитного резонанса для целей томографии.