什么是電子自旋共振(Electron Spin Resonance)？

電子自旋共振（ESR）是一種用于順磁性材料的光譜學形式，這種材料在暴露于外部磁場時會變得有磁性。ESR也被稱為電子順磁共振，或EPR。電子自旋共振在化學和生物學中有著廣泛的應用，甚至在量子計算等領域也有應用。科學家拿著...

電子自旋共振（ESR）是一種用于順磁性材料的光譜學形式，這種材料在暴露于外部磁場時會變得有磁性。ESR也被稱為電子順磁共振，或EPR。電子自旋共振在化學和生物學中有著廣泛的應用，甚至在量子計算等領域也有應用。科學家拿著燒杯，電子攜帶電荷并旋轉，因此會產生磁矩。如果置于外部磁場中，電子的磁矩將與磁場的方向一致，電子也可能在磁場的相反方向上排列，但這需要更多的能量，而不是電子的自然狀態。這是電子自旋共振的科學基礎。分子中含有額外或未成對電子的物質被置于磁場中，能量通常以微波的形式作用于它。未成對的電子將吸收電磁能量，并通過重新調整其磁矩使之與外部施加的磁場相反而移動到更高能量的狀態場。電子吸收能量的頻率表明它們所附著的分子的化學結構。這樣，電子自旋共振就可以用來確定不同材料的化學成分。物質中有未成對電子是至關重要的。這是因為成對電子，根據泡利不相容原理，將有相反方向的自旋，因此沒有凈磁矩。這些材料被稱為抗磁材料，不適合ESR。與其他共振光譜技術一樣，電子自旋共振中使用的電子必須被允許放松并返回到它們的低能態否則，所有的電子都將被激發，不再有進一步的吸收。在這種情況下，將沒有什么可測量的，因此也不會產生任何信號。自旋晶格弛豫（電子給周圍環境提供能量）和自旋自旋弛豫（一個電子給另一個電子提供能量）是兩者使牙釉質松弛的方法。ESR特別適合檢測自由基，自由基是一組具有不成對電子的高活性分子。眾所周知，自由基是多種疾病、中毒甚至癌癥的病因。它們還以已知的速率引起牙釉質的衰變，這意味著電子自旋共振可以用來測定牙齒和人類的年齡。超過保質期的啤酒和葡萄酒中也存在過量的自由基。電子自旋共振技術也是一些前沿技術的領先候選技術。這些技術包括人工光合作用和量子計算。在后者中，通過微調ESR使其作用于單個電子而不是一組電子，就可以產生一個對應于電子磁矩能量狀態的邏輯門。

發表于 2020-09-17 23:29
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分類：科學教育

什么是電子自旋共振(Electron Spin Resonance)？

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