رنين مغناطيسي إلكتروني

مطياف EPR .

الرنين المغناطيسي الإلكتروني (يرمز له اختصاراً EPR من Electron paramagnetic resonance) هي طريقة لدراسة خواص مواد في ذرتها إلكترون منفرد . الطريقة شبيهة ب الرنين النووي المغناطيسي NMR ولكن يستغل عزم مغزلي لإلكترون وإثارته بدلا من إثارة العزم المغزلي للنواة الذرية. ونظرا لان معظم الجزيئات المستقرة تكون الإلكترونات فيه موزعة إزدواجيا، فإن كيفية التحليل بالرنين المغناطيسي الإلكتروني أقل شيوعا عن استخدام الرنين النووي المغناطيسي.

درس الرنين المغناطيسي الإلكتروني أول مرة من العالم "يفيغني زافويسكي" من جامعة كازان بالاتحاد السوفييتي في عام 1944 . كما طبق في نفس الوقت من "بريبس بليني " في جامعة أكسفورد ، ولم يكن قد وصله فهم عن أعمال زافويسكي.

الإشارة من الرنين المغناطيسي الإلكتروني

لكل إلكترون عزم مغناطيسي وعزم مغزلي ، يرمز له بالسبن أوعدد كم مغزلي ${\displaystyle s={\tfrac {1 {2$ ، وتقترن به عزم مغناطيسي ${\displaystyle m_{\mathrm {s =+{\tfrac {1 {2$ و ${\displaystyle m_{\mathrm {s =-{\tfrac {1 {2$ .

وفي وجود مجال مغناطيسي خارجي وتكون شدته ${\displaystyle E=m_{\mathrm {s g_{\mathrm {e \mu _{\mathrm {B B_{\mathrm {0$

حيث:

${\displaystyle g_{\mathrm {e =2.0023$
${\displaystyle \mu _{\mathrm {B$

وتحت تأثير المجال المغناطيسي الخارجي وتأثيره على العزم المغناطيسي للإلكترون فيكون الفرق في طاقتي الإلكترون بين التأثير الموازي لعزم الإلكترون المغناطيسي والتأثير المعاكس لعزم الإلكترون المغناطيسي هوالمقدار :

{\displaystyle \Delta E=g_{\mathrm {e \mu _{\mathrm {B B_{\mathrm {0

للإلكترون المنفرد في ذرة (أي الذي ليس مربوطا ارتباطا زوجيا بإلكترون ثاني في الذرة، وهذا يعتمد على نوع الذرة).

وعند إجراء التجربة بتسليط مجال مغناطيسي خارجي على ذرات تحتوي على إلكترون منفرد فيبدوهذا الفرق في طاقة إلكترون عزمه المغناطيسي موازي للمجال المعناطيسي الخارجي وإلكترون آخر منفرد في ذرة أخرىقد يكون عزمه المعناطيسي معاكسا لاتجاه خطوط المجال المغناطيسي يظهر هذا الفرق في طاقتي الإلكترونين في هيئة أنشقاق في خط الطيف الذي نستطيع قياسه . هذا الانشقاق يتناسب تناسبا طرديا مع شدة المجال المغناطيسي الخارجي.

الرسم التالي يوضح انشقاق خطوط طيف الإلكترون في الحالتين، ويتزايد الانشقاق بزيادة شدة المجال المغناطيسي الخارجي المسلط على الذرات طبقا للحالتين -ms , ms.

ms هي اختصار لـ m ،من حدثة magnetic ; وs من حدثة سبن spin.

يستطيع الإلكترون المنفرد في الذرة الانتنطق بين تلك الحالتين عن طريق امتصاص فوتون أوإصدار فوتون إذا كانت طاقة الفوتون ${\displaystyle h\nu$ مناسبة لحدوث رنين ${\displaystyle h\nu =\Delta E$ . وهذا يقودنا إلى المعادلة الرياضية التي تصف مطيافية الرنين المغناطيسي للإلكترون EPR spectroscopy:

{\displaystyle h\nu =g_{\mathrm {e \mu _{\mathrm {B B_{\mathrm {0

وعمليا تسمح تلك المعادلة بتعيين قيم مختلفة للترددات خطوط الطيف المقاسة بتغيير شدة المجال المغناطيسي الخارجي. وتجرى معظم التجارب باستخدام ميكروويف وبشدة مجال مغناطيسي يبلغ نحوبين 9000–10000 ميجا هرتز (تعادل 9–10 جيجا هرتز)، أو3500 جاوس أو(0.35 تسلا).

وللحصول على طيف الرنين المغناطيسي للإلكترون فيمكن إما تغيير تردد الفوتونات (الأشعة الضوئية) المسلطة على العينة والاحتفاظ بالمجال المغناطيسي ثابتا أوبالعكس . وعادة نعمل بمجال مغناطيسي شدته ثابتة. وفي العينة في العادة تكون فيها عدة مراكز بارامغناطيسية (قابلة للتمغنط) من الجذور الحر من الجزيئات وتعرّض لموجات ميكروويف عند تردد ثابت . وبتغيير شدة المجال المغناطيسي الخارجي فتتسع المسافة بين الحالتين ${\displaystyle m_{\mathrm {s =+{\tfrac {1 {2$ و ${\displaystyle m_{\mathrm {s =-{\tfrac {1 {2$ حتى تتساوي مع طاقة الميكروويف، كما هومشروح في الرسم البياني أعلاه.

وهذه هي كيفية تعيين طيف الرنين المغناطيسي للإلكترون.

استخداماته

يستخدم الرنين المغناطيسي الإلكتروني في دراسة "الفيزياء الحيوية" (الفيزياء في فهم الأحياء) وفي دراسة أنصاف الموصلات التي يصنع منها الترانزستور . ويمكن استعمال طريقة القياس هذه على كائنات حية بحيث لا تضر. وبالتالي يمكن الكشف عن أنسجة مريضة .

كما حتى الرنين المغناطيسي الألكتروني يستخدم في دراسة خواص المواد . فيمكن بواسطته قياس كمية الشوائب في خلية شمسية التي تستخدم في الألواح الضوئية عن طريق قياس الاختلالات المغناطيسية فيها .

كما يمكن تطبيقها في دراسة الجزيئات الكبيرة مثل البروتينات والدنا والرنا.

مراجع

^ Odom, B.; Hanneke, D.; D'Urso, B.; and Gabrielse, G. (2006). "New Measurement of the Electron Magnetic Moment Using a One-Electron Quantum Cyclotron". Physical Review Letters. 97 (3): 030801. Bibcode:2006PhRvL..97c0801O. doi:10.1103/PhysRevLett.97.030801. PMID 16907490. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ W. Hoppe et al., Biophysik, Springer Verlag, 1982
^ Malte Drescher (2012), "Elektronenresonanz-Spektroskopie" (in German), Chemie in unserer Zeit 46 (3): pp. 150–157, doi:10.1002/ciuz.201200581, ISSN 0009-2851