[科普中国]-电子自旋简并分裂

是属于自旋1/2粒子的电子在静磁场下的自旋简并分裂现象，类似静磁场下自旋1/2原子核有自旋分裂之现象，又因利用到电子的顺磁性，故称电子自旋简并分裂。

背景简介电子自旋简并分裂是：处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的简并分裂跃迁现象。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。

电子自旋简并分裂( ESR) 是用来测定未成对电子与其环境相互作用的一种物理方法。当未成对电子在不同的原子或化学键上, 或附近有不同的基团即具有不同的化学环境时, 其电子自旋简并分裂光谱就可以详细地反映出来, 并且不受其周围反磁性物质( 如有机配体) 的影响。自 1944 年发现电子自旋简并分裂以来, 很快被应用到化学研究中, 特别是近年在生物体内的各种蛋白酶如铜锌超氧化物歧化酶等[1]的活性中心金属离子所处化学环境的研究中得到了广泛应用。

ESR已成功地被应用于顺磁物质的研究，目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子；研究半导体中的杂质和缺陷；离子晶体的结构；金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以，ESR也是一种重要的控物理实验技术。

原理介绍任何电子均具有特征的自旋角动量s和相应的自旋磁矩μs= gsμB, g 是光谱分裂因子, 对自由电子, g= 2.0023, s= 1/ 2。没有磁场时, 自由电子在任何方向均具有相同的能量, 故可以自由取向, 但处在外磁场中时, 电子的自旋磁矩和外磁场发生作用, 电子的自旋磁矩在不同的方向就具有不同的能量, Ems= gμBmsB ,μB为玻尔磁子, B 是外加磁场, 这种分裂叫作Zeeman分裂。磁能级跃迁的选择定则是 △ms = 0±1。若在垂直于外磁场 B 的方向上加上频率为ν 的电磁波, 使电子得到能量hν, 则ν 和 B 满足 hν= gμBB 时, 就发生磁能级跃迁, 在相应的吸收曲线( 即ESR 光谱曲线) 上出现吸收峰, 即发生电子自旋简并分裂吸收, g= hν/ μBB, g 值是由不成对电子所处的化学环境即化合物的电子结构决定, 每个化合物均具有特定的 g 值, 它与核磁简并分裂中的化学位移相当。高对称性分子, g值是各向同性的, 即只有一个 g 值; 低对称性分子, 如果是含有一个不低于三次的对称轴的轴对称分子, 可以得到 g〦 和 g‖ 两个 g 值, 其中〦 和‖分别表示垂直于和平行于外磁场。如果是最高只含有二次对称轴的轴对称分子, 则有 gz、gy、gx三个 g 值来描述, 其中 z 表示外磁场方向。因此 g 值可以探索化合物的结构。1

本词条内容贡献者为:

任毅如 - 副教授 - 湖南大学