[科普中國(guó)]-自旋集體振動(dòng)

分子由原子構(gòu)成，而原子又是由原子核和核外電子所組成的。電子除了軌道運(yùn)動(dòng)外，還有自旋運(yùn)動(dòng)。 因?yàn)殡娮佑匈|(zhì)量和電荷，它的軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生軌道角動(dòng)量和軌道磁矩，自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生自旋角動(dòng)量和自旋磁矩。自旋集體振動(dòng)是屬于自旋1/2粒子的電子在靜磁場(chǎng)下的磁共振現(xiàn)象，類似靜磁場(chǎng)下自旋1/2原子核有核磁共振之現(xiàn)象，又因利用到電子的順磁性，故稱電子順磁共振。電子自旋共振在多個(gè)領(lǐng)域有著較廣泛的應(yīng)用。

研究對(duì)象（1）自由基：所謂自由基就是在分子中具有一個(gè)未成對(duì)電子的化合物。例如，二苯基苦基肼基的一個(gè)氮原子上就有一個(gè)未成對(duì)電子。

（2）雙基或多基：這類化合物含有兩個(gè)（或兩個(gè)以上）未成對(duì)電子，并且這兩個(gè)未成對(duì)電子相距甚遠(yuǎn)，它們之間相互作用很弱，所以它的性格就象兩個(gè)稍有相互作用的自由基。

（3）三重態(tài)分子：這種化合物在分子軌道中也具有兩個(gè)未成對(duì)電子。但和雙基不同，這兩個(gè)電子彼此相距很近，彼此間有很強(qiáng)的相互作用。

（4）過(guò)渡金屬離子和稀土離子：上述三類化合物都是在分子軌道中出現(xiàn)未成對(duì)電子，而這類是在原子軌道中就出現(xiàn)未成對(duì)電子。過(guò)渡金屬離子包括鐵族、鈀族、鉑族離子，它們依次具有未充滿的3d，4d，5d殼層．稀土離子則具有未充滿的4f殼層。

（5）其它體系：例如有一些分子如O2，NO2等本身就是順磁性分子．NO分子的電子數(shù)是奇數(shù)，它似乎應(yīng)當(dāng)是順磁性的，但O2分子的電子數(shù)是偶數(shù)，它卻也是順磁性的，這個(gè)原因可以用分子軌道理論解釋它1。

共振條件電子除了具有質(zhì)量m，電荷e之外，它還具有另一個(gè)特性，就是自旋S。所謂自旋，可以想象為電子像地球一樣繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。電子是一個(gè)帶電體，帶電體的旋轉(zhuǎn)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這樣一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的電子就好像一個(gè)小磁偶極子，在力學(xué)上可以用m描述磁偶極矩，它具有方向性，因此是一個(gè)矢量。如果將這一磁偶極矩放在磁場(chǎng)H中，它們之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相互作用能E，電子的自旋磁矩和外磁場(chǎng)平行時(shí)能量最低，體系最穩(wěn)定；電子的自旋磁矩和外磁場(chǎng)反平行時(shí)，能量最高，體系最不穩(wěn)定。如果將電子從自旋磁矩平行外磁場(chǎng)的位置轉(zhuǎn)變到反平行的位置，需要外力做功，反之就會(huì)釋放能量。

自旋磁矩與外磁場(chǎng)平行的電子具有較低的能量，自旋磁矩和外磁場(chǎng)反平行的電子具有較高的能量。若用輻射的方法給處于低能級(jí)的電子一個(gè)能量，它們就會(huì)吸收這一能量躍遷到高能級(jí)，這一過(guò)程稱為電子在頻率的作用下，在磁場(chǎng)H發(fā)生了共振2。

應(yīng)用自旋集體振動(dòng)已成功地被應(yīng)用于順磁物質(zhì)的研究，它在化學(xué)、物理、生物和醫(yī)學(xué)等各方面都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。例如發(fā)現(xiàn)過(guò)渡族元素的離子；研究半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷；離子晶體的結(jié)構(gòu)；金屬和半導(dǎo)體中電子交換的速度以及導(dǎo)電電子的性質(zhì)；在固態(tài)物理上辨識(shí)與定量自由基分子（即帶有不成對(duì)電子的分子）；生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用在標(biāo)記生物性自旋探子等。所以，自旋集體振動(dòng)也是一種重要的控物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)