Co to jest rezonans spinowy?

Rezonans spinowy (ESR) jest formą spektroskopii stosowanej na materiałach paramagnetycznych mdash;Materiały, które stają się magnetyczne, gdy są narażone na zewnętrzne pole magnetyczne.ESR jest również określany jako rezonans paramagnetyczny elektronów lub EPR.Rezonans spinowy ma wiele zastosowań w chemii i biologii, a nawet ma zastosowania w takich dziedzinach, jak obliczanie kwantowe.

Elektron nosi ładunek i obroty.Dlatego indukuje moment magnetyczny.Jeśli zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, moment magnetyczny elektronu będzie zgodny z kierunkiem pola magnetycznego.Możliwe jest również wyrównanie elektronu w przeciwnym kierunku pola magnetycznego, ale wymaga to większej energii i nie jest naturalnym stanem elektronu.Jest to naukowa podstawa rezonansu spinowego elektronowego.

Z ESR, substancją z cząsteczkami, które mają dodatkowe lub niesparowane, elektrony są umieszczane w polu magnetycznym i energii, zwykle w postaci mikrofalów.Niesparte elektrony pochłaniają energię elektromagnetyczną i przeniosą się do stanu wyższego energii poprzez ponowne wyrównanie ich momentów magnetycznych, aby być przeciwnym do zewnętrznie przyłożonego pola magnetycznego.Częstotliwość energii pochłoniętej przez elektrony wskazuje strukturę chemiczną cząsteczki, do której są one przymocowane.W ten sposób można zastosować rezonans spinowy do określenia składu chemicznego różnych materiałów.

Bardzo ważne jest, aby substancja miała niesparowane elektrony.Wynika to z faktu, że sparowane elektrony, zgodnie z zasadą wykluczenia Pauli, będą miały spiny w przeciwnych kierunkach, a zatem nie ma momentu magnetycznego netto.Materiały te są znane jako diamagnetyczne i nie nadają się do ESR.

Podobnie jak w przypadku innych technik spektroskopii rezonansowej, elektrony stosowane w rezonansie spinowym muszą być dozwolone w celu rozluźnienia i powrotu do ich stanów niższych energii.Jeśli nie, wszystkie elektrony będą wzbudzone i żadna dalsza absorpcja nie będzie możliwa.W takim przypadku nie będzie nic do zmierzenia, w związku z czym nie zostanie wytworzony żaden sygnał.Relaksowanie z liniami spinowymi, w których elektron nadaje energię do otoczenia, i relaksacja spin-spin, w której elektron nadaje energię innym elektronowi, to dwie metody, w których może wystąpić relaksacja.

ESR jest szczególnie dobrze dopasowany do wykrywania wolnegoRodniki, które są zestawem wysoce reaktywnych cząsteczek z niesparowanymi elektronami.Wiadomo, że wolne rodniki są przyczyną kilku chorób, zatruć, a nawet nowotworów.Powodują również rozkład szkliwa zębów ze znaną prędkością, co oznacza, że można użyć rezonansu spinowego elektronowego, a co za tym idzie, ludzi.Nadmiar wolnych rodników jest również obecny w piwie i winie, które minęły ich okres przydatności do spożycia.

ESR jest również wiodącym kandydatem w kilku najnowocześniejszych technologiach.Należą do nich sztuczna fotosynteza i obliczenia kwantowe.W tym ostatnim, poprzez dopracowanie ESR do pracy nad jednym elektronem zamiast grupy elektronów, można utworzyć bramę logiczną, która odpowiada stanom energii momentu magnetycznego elektronu.