Wat is een elektronenspinresonantie?

Elektronenspinresonantie (ESR) is een vorm van spectroscopie die wordt gebruikt op paramagnetische materialen mdash;Materialen die magnetisch worden wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld.ESR wordt ook wel elektronenparamagnetische resonantie of EPR genoemd.Elektronenspinresonantie heeft een verscheidenheid aan toepassingen in chemie en biologie en heeft zelfs gebruik in velden zoals Quantum Computing.

Een elektron heeft een lading en spins.Het induceert daarom een magnetisch moment.Als het in een extern magnetisch veld wordt geplaatst, zal het magnetische moment van het elektron overeenkomen met de richting van het magnetische veld.Het is ook mogelijk voor het elektron om in de tegenovergestelde richting van het magnetische veld uit te lijnen, maar dit vereist meer energie en is niet de natuurlijke toestand van het elektron.Dit is de wetenschappelijke basis voor elektronenspinresonantie.

Met ESR wordt een substantie met moleculen met extra of ongepaarde elektronen in een magnetisch veld geplaatst en energie, meestal in de vorm van microgolven, erop toegepast.De ongepaarde elektronen zullen de elektromagnetische energie absorberen en naar een hogere energietoestand gaan door hun magnetische momenten opnieuw uit te lichten om tegengesteld te zijn aan het extern aangebrachte magnetische veld.De frequentie van energie die door de elektronen wordt geabsorbeerd, geeft de chemische structuur aan van het molecuul waaraan ze zijn bevestigd.Op deze manier kan elektronenspinresonantie worden gebruikt om de chemische samenstelling van verschillende materialen te bepalen.

Het is van cruciaal belang dat de stof ongepaarde elektronen heeft.Dit komt omdat gepaarde elektronen, volgens het Pauli -uitsluitingsprincipe, spins zullen hebben in tegengestelde richtingen en daarom geen netto magnetisch moment.Deze materialen staan bekend als diamagnetisch en zijn niet geschikt voor ESR.

Zoals bij andere resonantiespectroscopietechnieken, moeten de elektronen die worden gebruikt in elektronenspinresonantie kunnen ontspannen en terugkeren naar hun lagere energietoestanden.Zo niet, dan worden alle elektronen geëxciteerd en is geen verdere absorptie mogelijk.In dit geval zal er niets te meten zijn en bijgevolg zal er geen signaal worden geproduceerd.Spin-rooster ontspanning, waarbij een elektron energie geeft aan zijn omgeving, en spin-spin-ontspanning, waarbij een elektron energie geeft aan een ander elektron, zijn de twee methoden waarbij ontspanning kan optreden.

ESR is vooral goed geschikt voor de detectie van gratisRadicalen, die een set zeer reactieve moleculen zijn met ongepaarde elektronen.Het is bekend dat vrije radicalen de oorzaak zijn van verschillende ziekten, vergiftigingen en zelfs kankers.Ze veroorzaken ook het verval van tandglazuur met een bekende snelheid, wat betekent dat elektronenspinresonantie kan worden gebruikt om tanden te daten en, bij uitbreiding, mensen.Overmatige vrije radicalen zijn ook aanwezig in bier en wijn die voorbij hun houdbaarheid zijn.

ESR is ook een toonaangevende kandidaat in verschillende geavanceerde technologieën.Deze omvatten kunstmatige fotosynthese en kwantum computing.In het laatste geval, door ESR te verfijnen om aan een enkel elektron te werken in plaats van een groep elektronen, kan een logische poort worden gemaakt die overeenkomt met de energietoestanden van het magnetische moment van het elektron.