[科普中国]-自旋集体振动

分子由原子构成，而原子又是由原子核和核外电子所组成的。电子除了轨道运动外，还有自旋运动。 因为电子有质量和电荷，它的轨道运动产生轨道角动量和轨道磁矩，自旋运动产生自旋角动量和自旋磁矩。自旋集体振动是属于自旋1/2粒子的电子在静磁场下的磁共振现象，类似静磁场下自旋1/2原子核有核磁共振之现象，又因利用到电子的顺磁性，故称电子顺磁共振。电子自旋共振在多个领域有着较广泛的应用。

研究对象（1）自由基：所谓自由基就是在分子中具有一个未成对电子的化合物。例如，二苯基苦基肼基的一个氮原子上就有一个未成对电子。

（2）双基或多基：这类化合物含有两个（或两个以上）未成对电子，并且这两个未成对电子相距甚远，它们之间相互作用很弱，所以它的性格就象两个稍有相互作用的自由基。

（3）三重态分子：这种化合物在分子轨道中也具有两个未成对电子。但和双基不同，这两个电子彼此相距很近，彼此间有很强的相互作用。

（4）过渡金属离子和稀土离子：上述三类化合物都是在分子轨道中出现未成对电子，而这类是在原子轨道中就出现未成对电子。过渡金属离子包括铁族、钯族、铂族离子，它们依次具有未充满的3d，4d，5d壳层．稀土离子则具有未充满的4f壳层。

（5）其它体系：例如有一些分子如O2，NO2等本身就是顺磁性分子．NO分子的电子数是奇数，它似乎应当是顺磁性的，但O2分子的电子数是偶数，它却也是顺磁性的，这个原因可以用分子轨道理论解释它1。

共振条件电子除了具有质量m，电荷e之外，它还具有另一个特性，就是自旋S。所谓自旋，可以想象为电子像地球一样绕一个轴旋转。电子是一个带电体，带电体的旋转就会产生磁场。这样一个旋转着的电子就好像一个小磁偶极子，在力学上可以用m描述磁偶极矩，它具有方向性，因此是一个矢量。如果将这一磁偶极矩放在磁场H中，它们之间就会产生一个相互作用能E，电子的自旋磁矩和外磁场平行时能量最低，体系最稳定；电子的自旋磁矩和外磁场反平行时，能量最高，体系最不稳定。如果将电子从自旋磁矩平行外磁场的位置转变到反平行的位置，需要外力做功，反之就会释放能量。

自旋磁矩与外磁场平行的电子具有较低的能量，自旋磁矩和外磁场反平行的电子具有较高的能量。若用辐射的方法给处于低能级的电子一个能量，它们就会吸收这一能量跃迁到高能级，这一过程称为电子在频率的作用下，在磁场H发生了共振2。

应用自旋集体振动已成功地被应用于顺磁物质的研究，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；在固态物理上辨识与定量自由基分子（即带有不成对电子的分子）；生物医学领域用在标记生物性自旋探子等。所以，自旋集体振动也是一种重要的控物理实验技术。

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学