电子自旋共振(esr)

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1、电子自旋共振(ESR)——基本原理及其应用李越中科院地球环境所电子自旋共振（ElectronSpinResonance，简称ESR）也称电子顺磁共振（ElectronParamagneticResonance，简称EPR），是检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质的一种波谱学技术。电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子以及内电子壳层未被充满的离子，受辐射作用产生的自由基及半导体、金属等。通过对共振谱线的研究，可以获得有关分子、原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得

2、到有关物质结构和化学键的信息，因此电子自旋共振最早主要应用于物理学、化学、生物学等领域。ESR测年技术的发展历程及重要意义ESR测年基本原理ESR在其他方面的应用ESR测年技术的发展历程1944年，电子顺磁共振首先是由前苏联物理学家E·K·扎沃伊斯基从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。1961年，Duchensne等首次报道了利用ESR方法测定碳质岩层年龄的结果。1967年，Zeller等利用ESR方法测量了大约20种矿物，并提出这种方法可以作为一种测年方法应用于地质学研究。McMorris(1969,1

3、970,1971)进一步研究了用ESR方法测定天然化石和石英的可能性。ESR测年技术的发展历程但是，由于所有研究结果都缺乏明确的地质意义，因此未能使该方法得到广泛的发展和应用。直到1975年，Ikeya（中文译为：池谷元伺）在Nature上发表了对日本Aliyoshi洞（秋芳洞）次生碳酸盐进行的ESR测年结果，这是ESR测年的首次应用成功范例，也是首次被用Aliyoshi于地球科学。随后，这种方法才逐步地应用于地质学、地貌学以及考古学等各个领域中不同材料的年代测定。在80年代取得了迅速的发展。ESR测年特点1）可

4、用于ESR测年的物质较为广泛，所研究的样品大致分为两类：一类是碳酸盐，另一类是石英；2）测年范围宽，可达103~106年，基本覆盖了整个第四纪地质年代范围；3）ESR方法是一种非破坏性分析方法，样品可以反复测量，并且用量少；4）制样简单，便于批量测试；5）ESR测量信号稳定，受周围环境影响较小。ESR常用的测试物质ESR常用的测试物质有第四纪贝壳、珊瑚,有孔虫,动物和人类的骨骼、牙齿,土壤中的石英与长石颗粒,石灰岩卡斯特溶洞中的钟乳石、石笋、泉华,火山岩中的斜长石、锆石等。ESR测年的意义目前，对于距今20万年以

5、来的沉积物，主要是采用14C和释光测年法；对于老于20万年的沉积物，主要采用ESR和宇宙成因核素法来获取其埋藏年龄。ESR测定结果对第四纪古生物和人类的发展历史年代、第四纪地层划分和对比、古海面的升降过程、大型工程的地基稳定性评估、火山和地震活动的预测以及第四纪环境变迁的研究均具有重要的意义。ESE测年基本原理构成物质的分子由原子组成，而原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的绕核旋转的电子组成。电子在绕核旋转的同时自身也做自旋运动，并在电子周围产生一个环形电流。根据法拉第定律，在电子附近形成一个弱磁场。在多数情况下

6、，电子在分子轨道和原子轨道中是配对出现的，由于他们处于同一个轨道中，并且自旋方向相反，磁性抵消，因此，这类化合物是逆磁性物质。ESE测年基本原理但是，在天然辐射场的影响下，一些绝缘物质或晶体物质的电子被电离，其可以被晶体中的晶格缺陷或杂质捕获，形成陷阱电子（trappedelectron）；而原来的原子因缺少了电子即形成了陷阱空穴（trappedhole）。这些物质的分子轨道或原子轨道中便存在着未成对的电子。这类含有未成对电子的物质就是ESR研究的对象，称为顺磁性物质。顺磁性物质中自旋的相互作用力弱，在没有外磁场

7、作用时，受单个原子热波动的影响，这些未成对电子自旋取向随机呈不规则排列，它们处于相同的能量状态；ESE测年基本原理当受到外磁场作用时，这些未成对电子才会按照一定取向排列，发生能级分裂，称为塞曼分裂，能级分裂的大小与磁场强度成正比。陷阱电子或空穴都是顺磁性的，它们如同一个小磁铁，可以显示出一定的磁矩。当在外磁场的作用下，这些小磁铁则能处在两种能态中。在电子的自旋磁矩与外磁场的方向相反时，其处于低能态（a）；若相反，即处于高能态(b)。ESE测年基本原理两个能级之差由量子力学计算可以得到：g为表征顺磁性电子或空穴特性

8、的因子，其值为2.00左右；β为波尔磁矩，其值为9.27314×10-21尔格·高斯-1；H为外磁场强度，单位为高斯ESE测年基本原理此时，如果再在垂直磁场H的方向上是加频率为ν的电磁波，当微波能量（hv，h:为普朗克常量，其值为6.62554×10-27尔格秒-1;v:为微波频率，单位为秒-1）正好等于上述的ΔE值时，就会使自旋电子从低能态跃迁到高能态，产生共振现象。当