elektronspinnresonans

Elektronspinnresonans består i at det induseres overganger mellom de energitilstander som elektronene i et paramagnetisk stoff kan befinne seg i når et magnetfelt er til stede.

Fenomenet brukes til spektroskopiske undersøkelser av molekyler og atomer via såkalt elektronspinnresonans-spektroskopi.

Teoretisk bakgrunn

Elektronspinn

Elektroner har en kvantemekanisk egenskap kalt spinn. På grunn av et elektronet er elektrisk ladet, gir spinnet opphav til et magnetisk moment. Spinnet til elektroner visualiseres ofte som at elektronet er en ball som spinner rundt sin egen akse.

Elektroner beveger seg i baner omkring atomkjernen hvor banebevegelsen hovedsakelig er bestemt av molekylkonfigurasjonen og er lite påvirket av ytre magnetfelt. Det faktum at elektroner har et magnetisk moment på grunn av spinn, gjør at energinivået til elektroner likevel påvirkes av et ytre magnetisk felt.

I hver bane kan det være to elektroner som spinner hver sin vei og derfor, som magneter betraktet, peker i motsatte retninger slik at de utad opphever hverandres magnetfelt og heller ikke påvirkes nevneverdig av ytre felter. I paramagnetiske stoffer vil det derimot være elektroner som beveger seg alene i sin bane. Etter de kvantemekaniske lovene kan et elektron bare stille seg inn på to måter i forhold til et ytre magnetfelt, nemlig slik at komponenten av elektrospinnet langs en akse som peker i magnetfeltets retning blir enten +ℏ/2 eller −ℏ/2 (ℏ = h/2π, hvor h er Plancks konstant, enhet for spinn). Dette blir vanligvis henvist til som spinn-opp eller spinn-ned tilstander.

Spinn retter seg inn langs magnetfelt

De magnetiske kreftene vil søke å rette inn elektronene slik at deres magnetiske moment peker mest mulig i feltretningen, og den motsatte spinnretning tilsvarer derfor en høyere energitilstand. Energiforskjellen mellom de to tilstandene er B · g · m_B, hvor B er den magnetiske induksjon, m_B, Bohr-magnetonet, er enheten som man måler elektronets magnetisme (eg. elektronets magnetiske moment) i, og g er en tallfaktor, den gyromagnetiske faktor (meget nær 2), som angir størrelsen av elektronets magnetiske moment.

Overlates elektronene til seg selv, vil de søke mot laveste energitilstand. De som opprinnelig var i den mest energirike tilstanden, vil da kvitte seg med sin energi ved å sende ut elektromagnetisk stråling med energi hv = B · g · m_B eller frekvens v = B · g · m_B/h. De to energitilstandene til et elektronspinn i et ytre magnetisk felt vises i figuren.

Omvendt kan elektronene bringes tilbake til den høyeste energitilstanden ved å absorbere stråling med denne frekvens. Dette blir en form for resonansabsorpsjon som kalles elektronspinnresonans. Den kan påvises ved at det stoffet som skal undersøkes, anbringes i en spole som er koblet til en oscillatorkrets som svinger med en fast frekvens. Spolen med stoffet anbringes i et homogent magnetfelt, og dette varieres langsomt frem og tilbake omkring en passende verdi. Med et oscilloskop kan man da iaktta en plutselig forandring i belastningen på oscillatorkretsen hver gang feltet passerer en bestemt verdi. For frie elektroner ville dette alltid inntreffe ved samme forhold mellom v og B, men inne i molekylene vil elektronet ikke bare påvirkes av det ytre magnetfeltet, som oppstår i molekylet på grunn av elektronbevegelsen. Den frekvens som man får resonans ved, blir derfor karakteristisk for de forskjellige molekylene og kan også avhenge av hvorledes disse er romlig orientert i forhold til det ytre magnetfelt.

Termiske effekter

I noen tilfeller, spesielt ved små molekyler i uorganiske materialer, vil de termiske bevegelsene i stoffet være så store at overgangene mellom spinntilstandene forstyrres. For å foreta målinger må man da nytte sterkest mulig magnetfelt samtidig som materialet som skal undersøkes, kjøles sterkt. Foruten å bestemme frekvensen som svarer til bestemte overganger, måler man hvor skarpt nivået er, da dette gir opplysninger om hvor stabile elektronbanene er. Man måler også størrelsen av det observerte utslag og bruker dette som et mål for hvor mange enkle (uparede) elektroner som stoffprøven inneholder, noe som bl.a. nyttes for å bestemme mengden (konsentrasjonen) av frie radikaler i løsninger av organiske stoffer.

Magnetfelt fra atomkjernen

Elektronet kan også påvirkes av det magnetiske felt fra atomkjernen det er bundet til. Kjernene kan innstille seg på forskjellige måter i forhold til elektronet uten at atomstrukturen endres, men hver innstilling svarer til en liten endring av magnetfeltet omkring elektronet. Derfor kan man få en rekke resonanser som ligger meget nær hverandre, en såkalt hyperfinstruktur, og kan ved undersøkelser av denne både få interessante opplysninger om kjernens magnetiske egenskaper. Man kan for eksempel finne ut hvilken kjerne i et molekyl det enkelte elektronet er bundet sterkest til.

Bruk

ESR-spektroskopi har vist seg meget anvendbar for blant annet. krystallstrukturundersøkelser, undersøkelser av kjemiske bindinger, av biologiske systemer, virkninger av enzymer, av radioaktiv stråling og lignende på organiske forbindelser.

Les mer i Store norske leksikon

• elektronspinn
• kjernespinnresonans
• paramagnetisme
• magnetisk felt