Elektronspinnresonans, paramagnetisk resonans, fenomen som kan nyttes til spektroskopiske undersøkelser av molekyler og atomer, elektronspinnresonans-spektroskopi, ESR- eller EPR-spektroskopi (EPR: elektron-paramagnetisk resonans). Metoden består i at det induseres overganger mellom de energitilstander som molekylene i et paramagnetisk stoff kan innta i et homogent magnetfelt. Magnetfeltene som nyttes, er vanligvis av størrelsen 0,3–1,2 tesla og den induserte stråling stort sett i frekvensområdet 109–1011 Hz (radarbølgeområdet).
Teoretisk bakgrunn
Et elektron kan i denne forbindelse sammenlignes med en magnet som spinner om sin akse samtidig som den beveger seg i baner omkring atomkjernen. Banebevegelsen er stort sett bestemt ved molekylkonfigurasjonen og påvirkes lite av ytre magnetfelt. I hver bane kan det være to elektroner som spinner hver sin vei og derfor, som magneter betraktet, peker i motsatte retninger slik at de utad opphever hverandres magnetfelt og heller ikke påvirkes av ytre felter. Men i paramagnetiske stoffer vil det være elektroner som beveger seg alene i sin bane og derfor lar seg påvirke av et ytre magnetfelt. Etter de kvantemekaniske bevegelseslovene kan et elektron bare stille seg inn på to måter i forhold til et ytre magnetfelt, nemlig slik at komponenten av elektrospinnet langs en akse som peker i magnetfeltets retning blir enten +ℏ/2 eller −ℏ/2 (ℏ = h/2π, hvor h er Plancks konstant, enhet for spinn).
De magnetiske kreftene vil søke å rette inn elektronene slik at deres nordpol peker mest mulig i feltretningen, og den motsatte spinnretning tilsvarer derfor en høyere energitilstand. Energiforskjellen mellom de to tilstandene er B · g · mB, hvor B er den magnetiske induksjon, mB, Bohr-magnetonet, er enheten som man måler elektronets magnetisme (eg. elektronets magnetiske moment) i, og g er en tallfaktor, den gyromagnetiske faktor (meget nær 2), som angir størrelsen av elektronets magnetiske moment.
Overlates elektronene til seg selv, vil de søke mot laveste energitilstand. De som opprinnelig var i den mest energirike tilstanden, vil da kvitte seg med sin energi ved å sende ut elektromagnetisk stråling med energi hv = B · g · mB eller frekvens v = B · g · mB/h. Omvendt kan elektronene bringes tilbake til den høyeste energitilstanden ved å absorbere stråling med denne frekvens. Dette blir en form for resonansabsorpsjon som kalles elektronspinnresonans. Den kan påvises ved at det stoffet som skal undersøkes, anbringes i en spole som er koblet til en oscillatorkrets som svinger med en fast frekvens. Spolen med stoffet anbringes i et homogent magnetfelt, og dette varieres langsomt frem og tilbake omkring en passende verdi. Med et oscilloskop kan man da iaktta en plutselig forandring i belastningen på oscillatorkretsen hver gang feltet passerer en bestemt verdi. For frie elektroner ville dette alltid inntreffe ved samme forhold mellom v og B, men inne i molekylene vil elektronet ikke bare påvirkes av det ytre magnetfeltet, som oppstår i molekylet på grunn av elektronbevegelsen. Den frekvens som man får resonans ved, blir derfor karakteristisk for de forskjellige molekylene og kan også avhenge av hvorledes disse er romlig orientert i forhold til det ytre magnetfelt.
I noen tilfeller, spesielt ved små molekyler i uorganiske materialer, vil de termiske bevegelsene i stoffet være så store at overgangene mellom spinntilstandene forstyrres. For å foreta målinger må man da nytte sterkest mulig magnetfelt samtidig som materialet som skal undersøkes, kjøles sterkt. Foruten å bestemme frekvensen som svarer til bestemte overganger, måler man hvor skarpt nivået er, da dette gir opplysninger om hvor stabile elektronbanene er. Man måler også størrelsen av det observerte utslag og bruker dette som et mål for hvor mange enkle (uparede) elektroner som stoffprøven inneholder, noe som bl.a. nyttes for å bestemme mengden (konsentrasjonen) av frie radikaler i løsninger av organiske stoffer.
Elektronet kan også påvirkes av det magnetiske felt fra atomkjernen det er bundet til. Kjernene kan innstille seg på forskjellige måter i forhold til elektronet uten at atomstrukturen endres, men hver innstilling svarer til en liten endring av magnetfeltet omkring elektronet, og man kan derfor få en rekke resonanser som ligger meget nær hverandre, en såkalt hyperfinstruktur, og kan ved undersøkelser av denne både få interessante opplysninger om kjernens magnetiske egenskaper og finne ut hvilken kjerne i et molekyl det enkelte elektronet er bundet sterkest til. Sml. kjernespinneresonans.
Bruk
ESR-spektroskopi har vist seg meget anvendbar for krystallstrukturundersøkelser, undersøkelser av kjemiske bindinger, av biologiske systemer, virkninger av enzymer, av radioaktiv stråling og lignende på organiske forbindelser m.m.
