Электрон парамагнетик резонанс

ЭПР күренешендә электрон спиннары мөһим роль уйнаганлыктан, аның башка исеме дә бар — спин резонансы. Атомнар, молекулалар, ионнар, эчке һәм тышкы тутырылмаган электрон сүрүле ирекле радикаллар, буяу үзәкләре, радиацион һәм фотоиндукцияләнгән үзәкләр, ярымүткәргечләрдәге донорлар һәм акцепторлар, үткәрүчәнлек электроннары парамагнетик үзәкләр була ала. Парамагнетик үзәкләр нульдән аерылып торучы магнит моментына ия, аңа исә нульдән аерылып торучы электроннар хәрәкәте микъдары моменты шарт булып тора.

ЭПР күренешен 1944 елда Казан университетында Е.К.Завойский ача. ЭПР алымы үсешенә Россия, шул исәптән Казан галимнәре (кара Казан радиоспектроскопия фәнни мәктәбе) — Л.К.Әминов, Л.А.Блюменфельд, Н.С.Гарифҗанов, М.М.Зарипов, Б.И.Кочелаев, Я.С.Лебедев, К.М.Салихов. А.Г.Семёнов, Ю.Д.Цветков, Л.Я.Шекун, шулай ук чит ил галимнәре — А.Абрагам, Б.Блини, Д.Инграм, Дж.Фэхер, А.Швайгер һ.б. зур өлеш кертәләр.

ЭПР бер үк вакытта Н1 радиоешлыклы магнит кыры үрнәгенә тәэсир итү шарты белән Н0 даими магнит кырында күзәтелә. Классик күзаллауларга караганда, Н0 даими магнит кырының µ магнит моменты белән тәэсир итешүе Н0 тирәли момент прецессиясе белән нәтиҗәләнә. Н0 гә перпендикуляр булган υ ешлыклы Н1 радиоешлыклы магнит кыры прецессия почмагы үзгәрүенә сәбәпче була, ягъни, магнит моменты проекциясенең зурлыгын Н0 кыры юнәлешенә үзгәртә, шул ук вакытта Н1 радиоешлыклы кыр энергиясе йотыла.

H0 даими магнит кырының парамагнетик кисәкчәсе энергиясе кимәлләре таркалу нәтиҗәсендә хасил булган магнетик (Зееман) асдәрәҗәләр арасындагы ∆E энергияләре аермасы квантның hυ (биредә h — Планк даимисе) энергиясенә тигез булу очрагы бар. Бу шарт үтәлгәндә Н1 радиоешлыклы кырының электромагнетик кванты йотылу күренеше барлыкка килә. Резонансның шарты hυ=∆E=geβH0 рәвешендә языла. Әгәр парамагнетик кисәкчәнең магнит моментына бары тик S = 1/2 электрон спины шарт булып торса, ул вакытта ge=2,0023 — ирекле электрон өчен спектроскопик таркалу факторы, β — Бор магнетоны, Мs — ±1/2 дәрәҗәсен кабул иткән спин проекцияләре. Тышкы магнит кырында Н0 -geβH0/2 һәм +geβH0/2 электрон спинының ике проекциясенә туры килгән ике энергия дәрәҗәсенә (магнит асдәрәҗәләр) ия. Араларындагы энергия аермасы — geβH0. Н1 радиоешлыклы кыр тәэсире нәтиҗәсендә электроннар бер дәрәҗәдән икенчесенә күчә, бер үк вакытта спин ориентациясе дә үзгәрә. Электромагнетик энергия түбән дәрәҗәдән югарысына күчкәндә йотыла, кире күчкәндә таркала. Бу процессларның ихтималлыгы бердәй, әмма тигезләнеш шартларында түбән дәрәҗәдәге электроннар микъдары югарысына караганда артык була һәм нәтиҗәдә H1 радиоешлыклы кыр энергиясе йотыла. Әгәр S>1/2 икән, ул вакытта төрле |Ms| лы энергия дәрәҗәләре H0=0 шарты үтәлгәндә таркала. Шул вакыт ЭПР спектрында берничә йотылу сызыклары ягъни ЭПР спектрының нечкә структурасы күзәтелә. Электроннар парамагнетик атом төшенең магнит моменты яки иң якын тирәдәге төшләрнең магнит моментлары белән үзара тәэсир итешү нәтиҗәсендә ЭПР спектрларының үтә нечкә структурасы хасил була. Парамагнетик кисәкчә электроннарының иң якын тирәдәге төшләрнең магнит моментлары белән үзара тәэсир итешү очрагында ЭПР супер үтә нечкә структура дәрәҗәсенә җитеп таркала. ЭПР спектрының үтә нечкә һәм супер үтә нечкә структураларын тикшерү парамагнетик үзәк локализациясенең ачыкларга мөмкинлек бирә. Гадәттә, кисәкчәләр парамагнетизмы берничә электронның орбиталь һәм спин моментлары гомуми өлеше шартына бәйле; кристалларда бу электроннарга әйләнә-тирәдәге ионнарның (лигандлар) көчле электр кырлары тәэсир итә. Шул сәбәпле ЭПР спектрларын тасвирлау — катлаулы бурыч. Спектрларны хисаплау өчен 1951 елда А.Абрагам (Франция) белән Х.Прайс (АКШ) тәкъдим иткән спинлы гамильтониан алымын файдаланалар.

ЭПР спектрларын үлчәү максаты белән үрнәктә йотылган Н1 радиоешлыклы егәрлекнең үзгәреше теркәлә. Мондый үлчәү өчен v даими ешлыгы һәм Н0 магнит кыры зурлыгының әкрен үзгәрүе зарур шартлар булып тора. Тикшеренүләр вакытында өзлексез хәрәкәтле (стационар ЭПР) һәм импульслы спектрометлар кулланыла. Берүлчәмле һәм күпүлчәмле вариантларда берле һәм күплекле магнетик резонанс алымнары файдаланыла. Киң кулланылучы импульслы ЭПР һәм югары магнит кырларындагы ЭПР методикалары фәзаи-электрон структура, шулай ук төрле процесслар динамикасы хакында уникаль мәгълүматлар бирә. Кыска гомерле парамагнетик халәтләр (мәсәлән, фотосинтезның беренче стадиясендәге бер-берсеннән аерылган корылмалар, триплет халәтендәге фотоярсулы молекулалар һ.б.) вакытлы хәл итүле ЭПР спектроскопиясе ярдәмендә тикшерелә. Үтә нечкә структураларны спектроскопияләү алымы электрон спин кайтавазы уратмасының берле яки икеле модуляция техникасын, куш электрон-төш резонансын һәм куш электрон-электрон резонансын үз эченә ала.

ЭПР алымы һәм аның хәзерге заман модификацияләре парамагнетик үзәкләрнең табигатен һәм структурасын, электрон тыгызлыкның концентрациясен (см3га 108–1020 кисәкчә диапазонында), локализациясен һәм таралышын, иң якын тирәлеге белән бәйләнеш характерын, релаксация сыйфатламаларын, парамагнетик үзәкләр арасындагы араны ачыклауга юл ача. Электроннар арасындагы араны үлчәү алымнары полимерлар, наноматериаллар һәм мицелляр эретмәләр биомолекулалары структурасының шифрларын ачу өчен кулланыла.

ЭПР матдә структурасын гына түгел, молекуляр динамиканы, фаза күчешләрен, химик реакцияләрнең механизмнарын тикшерү өчен кирәкле иң информатив эксперименталь тикшерү алымнарыннан берсе. Аны үзенең парамагнетик үзәге булган объектны яисә системага зонд буларак кертелгән парамагнетик үзәкләрне тикшергәндә файдаланалар, физика, химия, геол., биол., медицина, материаллар белемендә кулланалар. Е.К.Завойский эшләгән Казан университеты лабораториясендә аның исемендәге музей оештырыла. РФА КГҮнең Физика-техника институтында «Applied Magnetic Resonance» һәм «EPR News Letter@» исемендә ике халыкара фәнни журнал нәшер ителә. Шулай укк.: Ирекле радикаллардагы ЭПР.

Завойский Е.К. Парамагнитная релаксация в жидких растворах при перпендикулярных полях // Журн.эксперим. и теорет.физики. 1945. Т. 15, № 7; 

Альтшулер С.А., Козырев Б.М. Электронный парамагнитный резонанс. М., 1961; Керрингтон А., Мак-Лечлан Э. Магнитный резонанс и его применение в химии. М., 1970; 

Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов: В 2 т. М., 1972–73; 

Болтон Дж., Вертц Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР. М., 1975; 

Салихов К.М., Семёнов А.Г., Цветков Ю.Д. Электронное спиновое эхо и его применение. Новосиб., 1976;

 The Treasures of Eureca. V.1. Electron paramagnetic resonance. Wellington, New Zealand, 2009.               

Авторлар — Н.И.Силкин, Р.Г.Усманов