Wat is een Electron Spin Resonantie?

Elektronspinresonantie (ESR) is een vorm van spectroscopie gebruikt paramagnetische materialen - materialen die magnetisch worden bij blootstelling aan een extern magnetisch veld. ESR wordt ook wel aangeduid als elektronen paramagnetische resonantie, of EPR. Elektronspinresonantie heeft een verscheidenheid aan toepassingen in de chemie en biologie, en heeft zelfs toepassingen op gebieden zoals quantum computing.

Een elektron heeft een lading en spins. Het induceert dus een magnetisch moment. Indien geplaatst in een extern magnetisch veld, de elektron magnetisch moment uitgelijnd met de richting van het magnetisch veld. Het is ook mogelijk dat de elektronen uitlijnen in de tegengestelde richting van het magnetisch veld, maar dit vereist meer energie en niet de natuurlijke toestand van het elektron. Dit is de wetenschappelijke basis voor elektronspinresonantie.

Met ESR, een stof met moleculen die extra of ongepaarde hebben elektronen wordt geplaatst in een magnetisch veld en energie, gewoonlijk in de vorm van microgolven wordt toegepast. De ongepaarde elektronen zal de elektromagnetische energie absorberen en naar een hogere energietoestand door het opnieuw uitlijnen van de magnetische momenten tegenover de extern aangebrachte magnetische veld zijn. De frequentie van de energie geabsorbeerd door de elektronen geeft de chemische structuur van het molecuul waaraan zij gehecht. Zo electron spin resonantie kan worden gebruikt om de chemische samenstelling van verschillende materialen.

Het is essentieel dat de te onderzoeken stof ongepaarde elektronen. Dit is omdat gepaarde elektronen, per het Pauli principe, zal spins in tegengestelde richting te hebben en daarom geen netto magnetisch moment. Deze materialen zijn bekend als diamagnetische en zijn niet geschikt voor ESR.

Zoals bij andere resonantie spectroscopie, dient de elektronen in elektronspinresonantie mogen ontspannen en terugkeren naar hun lagere energietoestanden. Zo niet, dan zullen alle elektronen opgewonden te zijn en geen verdere absorptie mogelijk zal zijn. In dit geval zal er niets te meten en, als gevolg daarvan, zal er geen signaal worden geproduceerd. Spin-rooster relaxatie, waarbij een elektron geeft energie aan de omgeving, en spin-spin relaxatietijd, waarbij een elektron geeft energie aan een ander elektron, zijn de twee methoden waarmee ontspanning kan optreden.

ESR is bijzonder geschikt voor de detectie van vrije radicalen, die een set van zeer reactieve moleculen met ongepaarde elektronen. Vrije radicalen zijn bekend bij de oorzaak van verscheidene ziekten, vergiftiging, en zelfs kankers. Ze veroorzaken ook verval van tandglazuur met een bekende snelheid, waardoor electron spin resonantie kan worden bijgewerkt tanden en bij uitbreiding, mensen. Overmaat vrije radicalen zijn ook aanwezig in bier en wijn die voorbij hun houdbaarheid.

ESR is ook een belangrijke kandidaat in diverse geavanceerde technologieƫn. Deze omvatten kunstmatige fotosynthese en quantum computing. In de laatste, door afstemming ESR om aan een enkel elektron in plaats van een groep elektronen kan een logische poort gecreƫerd die overeenkomt met de energietoestanden van het elektron magnetisch moment.