Experiment 5: EPR ___

Experiment 5: EPR
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Wie die Protonen und Neutronen im Atomkern tragen auch die umkreisenden Elektronen den Spin ½ und haben somit die Fähigkeit sich in einem äußeren Magnetfeld auszurichten. Die EPR (Electron Paramagnetic Resonance) untersucht die Wechselwirkung
zwischen den magnetischen Momenten der Elektronen und magnetischen Feldern.
Vorraussetzung für die Durchführbarkeit von Resonanzexperimenten ist das Vorhandensein von sogenannten paramagnetischen Zentren, d.h. Spezies mit ungepaarten
Elektronen (z.B. Übergangsmetallionen, Donatoren/Akzeptoren in Halbleitern oder
freie Radikale), damit es einen Drehimpuls gibt. Der Gesamtdrehimpuls des Elektrons
setzt sich aus Spin und Bahndrehimpuls zusammen, dieser Gesamtdrehimpuls übernimmt die Rolle des Spins bei der NMR. Mit der EPR beobachtet man Übergänge der
durch die magnetische Quantenzahl mS charakterisierten Energiezustände der Elektronen.
Abb. 1: Spin und magnetisches Moment des Elektrons (Haken - Wolf: „Atom und Quantenphysik“). Eigenwerte des Elektronenspins im Magnetfeld (Darstellung kann auch ohne ћ erfolgen)
Das gyromagnetische Verhältnis des Elektrons beträgt etwa 2,8 1010 MHz/T und ist
damit ca. 660-mal größer als das des Protons, die Frequenzen der EPR liegen somit im
Mikrowellenbereich. Aufgrund dieser hohen Frequenzen benutzt man Hohlleiter anstatt
Koaxialkabel. Das Prinzip von EPR und NMR ist sehr ähnlich, ein Teilchen mit Spin und
dem daraus resultierenden magnetischen Moment zeigt im Magnetfeld eine Richtungsquantelung und präzediert um selbiges. Die meisten EPR- Experimente werden mit der
cw-Methode (engl. continuous wave) durchgeführt, aber es gibt auch gepulste EPR, die
vorwiegend in Festkörpern Anwendung findet und vergleichbar mit den Pulsexperimenten in der NMR ist. Bei der cw-Methode entsteht das Spektrum durch Einstrahlen einer
konstanten Mikrowellenfrequenz, während das Magnetfeld im Verlauf der Messung
variiert wird. Die Bewegungsgleichungen der Elektronen-Magnetisierung werden durch
die Bloch’schen Gleichungen beschrieben, aus deren Lösung sich die Form der Resonanzlinie ergibt. Um die Elektronen-Magnetisierung in der gepulsten EPR zu beeinflussen muss auch in der EPR das Wechselfeld senkrecht zum äußeren statischen Magnetfeld stehen.