Elektronenspin-Resonanz (EPR)

Die Elektronenspin-Resonanz (engl. electron paramagnetic resonance, EPR) gehört zusammen mit der bekannteren Kernspin-Resonanz (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) zu den Methoden der magnetischen Resonanz.

Beide Methoden beruhen auf der Ausrichtung des Spins (Elektronen- oder Kernspin) in einem äußeren Magnetfeld und der Möglichkeit, durch elektromagnetische Strahlung entsprechender Wellenlänge (Mikrowelle in der EPR, Radiofrequenz in der NMR) zwischen diesen Einstell-Möglichkeiten Übergänge zu induzieren.

Das Resonanzphänomen der magnetischen Resonanz

Beim Anlegen eines statischen Magnetfeldes B0 gibt es für einen Elektronenspin S, der mit einem magnetischen Moment \mu=-g\mu_BS verknüpft ist, zwei Einstellmöglichkeiten für die Komponente des magnetischen Moments bezüglich der Richtung des Feldes B0, die sich energetisch um


\Delta E = g\mu_BB_0

unterscheiden. μB ist das Bohrsche Magneton und g der molekülspezifische, dimensionslose g-Faktor. In Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld kann man mit senkrecht zu B0 polarisierten Mikrowellen magnetische Dipolübergänge induzieren und dabei den Spin umklappen. Die Resonanzbedingung lautet dann


h\nu = g\mu_BB_0

Eine graphische Veranschaulichung des Resonanzphänomens der magnetischen Resonanz liefert die folgende Abbildung.

Das Resonanzphänomen der magnetischen Resonanz
Abb. 1: Das Resonanzphänomen der magnetischen Resonanz.

Es gibt eine Reihe verschiedener Verfahren innerhalb der EPR (cw und gepulst, zeitaufgelöst, Doppelresonanz-Methoden etc.), von denen im Folgenden diejenigen herausgegriffen werden, die im Rahmen der hier durchgeführten Forschung Verwendung finden.

Zeitaufgelöste EPR

Ein direktes Verfahren zur Beobachtung der Spindynamik und der Elektronenspinpolarisation (ESP) bei der Entstehung gekoppelter Radikalpaare ist die transiente EPR-Spektroskopie. Meßgröße ist die zeitliche Entwicklung der transienten Magnetisierung.

Hauptartikel: zeitaufgelöste (transiente) EPR

ENDOR

Ein wichtiges Verfahren zur direkten Messung der Hyperfein-Wechselwirkung ist die Elektron-Kern-Doppelresonanz (engl. electron nuclear double resonance, ENDOR). Hierbei wird ein durch einen eingestrahlten Radiofrequenz-Puls erzeugter Kernspin-Übergang mithilfe der EPR detektiert.

Hauptartikel: ENDOR

ELDOR

Besonders zur Vermessung von Abständen eignet sich die Elektron-Elektron-Doppelresonanz (engl. electron electron double resonance, ELDOR). Dabei wird ein Elektronenübergang angeregt und die Auswirkung auf ein anderes, gekoppeltes Elektron beobachtet.

Wechselwirkungen

Eine Übersicht über die magnetischen Wechselwirkungen eines Spinsystems inklusive ihrer Größenordnungen gibt die folgende Abbildung.

Wechselwirkungen eines Spinsystems
Abb. 2: Magnetische Wechselwirkungen innerhalb eines Spinsystems. Dabei stehen B für das statische (externe) Magnetfeld, S und I respektive für den Elektronen- bzw. Kernspin. In diesem Schema koppelt jeder Elektronenspin an zwei Kernspins und den jeweils anderen Elektronenspin. Die für die einzelnen Wechselwirkungen angegebenen Größenordnungen sind als typische Größenordnungen zu verstehen.

Literatur

Die folgende Liste will keinesfalls vollständig sein, sondern nur einen ersten Startpunkt für den interessierten Leser bieten.

Bücher

  • Atherton, N. M. (1993): Principles of Electron Spin Resonance, Ellis Horwood Ltd., Chichester, England
  • Carrington, Alan; McLachlan, Andrew D. (1967): Introduction to Magnetic Resonance. With Applications To Chemistry and Chemical Physics, Harper & Row, New York
  • Schweiger, Arthur; Jeschke, Gunnar (1991): Principles of pulse electron paramagnetic resonance, Oxford University Press, Oxford

Überblicksartikel

  • Gemperle, C.; Schweiger, A. (1991): Pulsed Electron-Nuclear Double Resonance Methodology, Chemical Reviews 91:1481-1505
  • Schweiger, A. (1991): Puls-Elektronenspinresonanz-Spektroskopie: Grundlagen, Verfahren und Anwendungsbeispiele, Angewandte Chemie 103:223-250
  • Schweiger, A. (1991): Pulsed Electron Spin Resonance Spectroscopy: Basic Principles, Techniques, and Examples of Applications, Angewandte Chemie International Edition English 30:265-292

weitere Literatur

  • Goldman, Maurice (2001): Formal Theory of Spin–Lattice Relaxation, Journal of Magnetic Resonance 149:160-187
  • Gunnar Jeschke: Einführung in die ESR-Spektroskopie, Mainz 1998
    Vorlesungsskript aus dem SS 1998 an der Uni Mainz, gut lesbare, deutschsprachige Einführung in die wesentlichen Gebiete der EPR, PDF-Datei, 1,7 MB

Technik

  • C.P. Poole, Jr. (1967): Electron Spin Resonance. Dover, reprint 1996
  • F. Schneider, M. Plato (1971): Elektronenspin-Resonanz. Experimentelle Technik. Thiemig, München
de/forschung/epr/index.txt · Zuletzt geändert: 2017/12/09 20:09 (Externe Bearbeitung)