什么是电子自旋共振(Electron Spin Resonance)？

电子自旋共振（ESR）是一种用于顺磁性材料的光谱学形式，这种材料在暴露于外部磁场时会变得有磁性。ESR也被称为电子顺磁共振，或EPR。电子自旋共振在化学和生物学中有着广泛的应用，甚至在量子计算等领域也有应用。科学家拿着...

电子自旋共振（ESR）是一种用于顺磁性材料的光谱学形式，这种材料在暴露于外部磁场时会变得有磁性。ESR也被称为电子顺磁共振，或EPR。电子自旋共振在化学和生物学中有着广泛的应用，甚至在量子计算等领域也有应用。科学家拿着烧杯，电子携带电荷并旋转，因此会产生磁矩。如果置于外部磁场中，电子的磁矩将与磁场的方向一致，电子也可能在磁场的相反方向上排列，但这需要更多的能量，而不是电子的自然状态。这是电子自旋共振的科学基础。分子中含有额外或未成对电子的物质被置于磁场中，能量通常以微波的形式作用于它。未成对的电子将吸收电磁能量，并通过重新调整其磁矩使之与外部施加的磁场相反而移动到更高能量的状态场。电子吸收能量的频率表明它们所附着的分子的化学结构。这样，电子自旋共振就可以用来确定不同材料的化学成分。物质中有未成对电子是至关重要的。这是因为成对电子，根据泡利不相容原理，将有相反方向的自旋，因此没有净磁矩。这些材料被称为抗磁材料，不适合ESR。与其他共振光谱技术一样，电子自旋共振中使用的电子必须被允许放松并返回到它们的低能态否则，所有的电子都将被激发，不再有进一步的吸收。在这种情况下，将没有什么可测量的，因此也不会产生任何信号。自旋晶格弛豫（电子给周围环境提供能量）和自旋自旋弛豫（一个电子给另一个电子提供能量）是两者使牙釉质松弛的方法。ESR特别适合检测自由基，自由基是一组具有不成对电子的高活性分子。众所周知，自由基是多种疾病、中毒甚至癌症的病因。它们还以已知的速率引起牙釉质的衰变，这意味着电子自旋共振可以用来测定牙齿和人类的年龄。超过保质期的啤酒和葡萄酒中也存在过量的自由基。电子自旋共振技术也是一些前沿技术的领先候选技术。这些技术包括人工光合作用和量子计算。在后者中，通过微调ESR使其作用于单个电子而不是一组电子，就可以产生一个对应于电子磁矩能量状态的逻辑门。

发表于 2020-09-17 23:29
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分类：科学教育

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