ESR-Spektroskopie

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Im Rahmen des F-Praktikums: Spektroskopische Methoden und Kinetik wird nicht nur an der CAU, sondern auch an anderen Universitäten ein Versuch zur ESR-Spektroskopie durchgeführt.

Wichtig ist gute Literatur.

Als Einführung in die (praktische Anwendung der) ESR-Spektroskopie soll hier einmal auf einen Artikel von Schmallegger und Gescheidt verwiesen werden. Dort wird ein ESR-Experiment für Studenten beschrieben, bei welchem die Lagerstabilität von Bier untersucht wird. Studierende werden dort anhand eines einfachen Beispiels in die Grundlagen der ESR-Spektroskopie sowie der Lebensmittel- und Radikalchemie eingeführt.[a]

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Grundlagen

Bei der Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie (ESR) wird die Absorption von Resonanzmikrowellen im magnetischen Feld gemessen. Voraussetzung dafür ist, dass die Probe über freie Elektronen verfügt bzw. über ein permanentes magnetisches Moment.

Die Methode der Elektronenspin-Resonanz-Spektroskopie (ESR) beschäftigt sich mit Systemen, die ein (oder mehrere) ungepaarte Elektronen aufweisen. Die Beschreibung und Charakterisierung solcher Systeme erfolgt auf Grundlage allgemeiner quantenphysikalischer Zustände.

Im Rahmen der Elektronenspinresonanz kommt den Spinzuständen, als Teil der allgemeinen Zustandsbeschreibung, eine zentrale Rolle zu. Die Grundlage für die Spinzustände bildet der im wegweisenden Stern-Gerlach Experiment von 1920 identifizierte Elektronenspin. Diese Teilcheneigenschaft, für die es kein klassisches Analogon gibt, stellt einen quantenmechanischen Drehimpulsdar. Der Spin oder Eigendrehimpuls s (vektorielle Größe) des Elektrons ist mit einem magnetischen Moment μ verknüpft.

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Die Proportionalitätskonstante γ wird als gyromagnetisches Verhältnis bezeichnet…

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Detektion eines ESR-Signals

Dargestellt ist der Zusammenhang zwischen Absorptionskurve und dem erhaltenen ESR-Signal.
Detektion des ESR-Signals

Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung

Eine mögliche Versuchsapparatur kann in vier Bereiche eigeteilt werden:

  • das Gasdosiersystem,
  • die Mikrowellenentladung,
  • das Strömungssystem und
  • das ESR-Spektrometer.

Zunächst wird eine Probe über ein Gaseinleitungssystem mit konstantem Gasfluss in den die Apparatur gegeben (über Masseflussregler und Vakuumventile zu regeln).

Die durch die Mikrowellenentladung gebildeten Radikale (z. B. Stickstoffatome) gelangen zunächst in ein um 90° abgewinkeltes Rohr. Dieses sorgt für eine ausreichende Zahl von Wandstößen zur Desaktivierung angeregter Atome und schwingungsangeregter Moleküle.

Das Gas strömt durch die Sonde in den Strömungsreaktor. Der Abstand der Sonde einschließlich Mikrowellenentladung vom Nachweisvolumen kann mittels eines Synchron-Motors verändert werden.



Der Probenraum befindet sich im Feld eines Magneten (2000-7000 Gauß). Mittels einer Hall-Sonde wird die Magnetfeldstärke eingestellt. Ein Mikrowellensender mit Mikrowellenresonator (Gunn-Diode) bestrahlt die Probe mit Mikrowellen. Aus technischen Gründen ist es einfacher mit konstanter Frequenz bei einem sich ändernden Feld zu messen, daher wird die Frequenz über eine automatische Frequenzkontrolle (ACF) eingestellt. Das Messprinzips des Spektrometers ist die Abnahme bzw. Dämpfung der Resonanzmikrowelle in Abhängigkeit des magnetischen Feldes. Das Signal wird nach Modulation und Verstärkung (Lock-In-Verstärker) als 1. Ableitung ausgegeben.

Auswertung

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Literatur

Dissertation: Jan Rocker, Aufbau einer Ultrahochvakuum-Apparatur zur Messung der Elektronenspinresonanz im W-Band, Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin, 2014.

[a] J. Chem. Educ. 2018, 95, 11, 2013-2016; https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.8b00329.

ESR-Spektroskopie: Grundlagen Versuchsaufbau Versuchsdurchführung und Auswertung