Hva er en Electron Spin Resonans?

April 9  by Eliza

Elektronspinn resonans (ESR) er en form for spektroskopi brukes på paramagnetiske materialer - materialer som blir magnetisk når de utsettes for et eksternt magnetfelt. ESR blir også referert til som elektron-paramagnetisk resonans, eller EPR. Elektronspinn resonans har en rekke programmer i kjemi og biologi, og selv har anvendelser innen områder som quantum computing.

Et elektron bærer en ladning og spinn. Det induserer dermed et magnetisk moment. Hvis de plasseres i et eksternt magnetfelt, vil elektronets magnetiske moment på linje med retningen av det magnetiske felt. Det er også mulig for elektronet for å justere i motsatt retning av det magnetiske felt, men dette krever mer energi, og er ikke den naturlige tilstand av elektronet. Dette er det vitenskapelige grunnlaget for elektronspinn resonans.

Med ESR, et stoff med molekyler som har ekstra, eller uparet, blir elektroner plassert i et magnetisk felt og energi, vanligvis i form av mikrobølger, blir påført den. De uparede elektroner vil absorbere den elektromagnetiske energi og flytte til en høyere energitilstand ved å innrettes på sine magnetiske momenter for å være motsatt av eksternt påført magnetisk felt. Frekvensen av energi som absorberes av elektronene angir den kjemiske struktur av molekylet til hvilket de er bundet. På denne måten elektronspinn-resonans som kan benyttes til å bestemme den kjemiske sammensetning av forskjellige materialer.

Det er viktig at stoffet har uparede elektroner. Dette er fordi sammenkoblede elektroner, per Pauliprinsippet, vil ha spinn i motsatt retning, og derfor ingen netto magnetisk moment. Disse materialer er kjent som diamagnetisk, og er ikke egnet for ESR.

Som med andre resonansspektroskopi-teknikker, må elektronene som brukes i elektronspinn-resonans få lov til å slappe av og går tilbake til sine nedre energitilstander. Hvis ikke, vil alle elektroner være glade og ingen ytterligere absorpsjon vil være mulig. I dette tilfellet vil det ikke være noe å måle og, consequentially, vil ikke noe signal bli produsert. Spinn-gitter avslapping, hvor et elektron gir energi til sine omgivelser, og spinn-spinn avslapping, hvor et elektron gir energi til en annen elektron, er de to metodene der avslapning kan oppstå.

ESR er spesielt godt egnet til påvisning av frie radikaler, som er et sett av svært reaktive molekyler med uparede elektroner. Frie radikaler er kjent for å være årsaken til mange sykdommer, forgiftninger, og til og med kreft. De kan også forårsake nedbrytning av tannemaljen ved en kjent hastighet, som betyr at elektronspinn-resonans som kan benyttes til å dato tennene og i forlengelsen, mennesker. Overflødige frie radikaler er også til stede i øl og vin som er forbi sin holdbarhet.

ESR er også en ledende kandidat i flere cutting-edge teknologi. Disse inkluderer kunstig fotosyntese og quantum computing. I sistnevnte, etter finjustering ESR å arbeide på et enkelt elektron i stedet for en gruppe av elektroner, kan en logikk gate opprettes som tilsvarer energi statene elektronets magnetiske moment.