Techniklexikon

ESR-Spektroskopie

Laboratoriumsmethoden und -geräte, Anwendung der Elektronenspinresonanz, bei der vor allem die Information aus Lage und Form der Resonanzlinien im Vordergrund steht.

Die wichtigsten Messgrössen der ESR-Spektroskopie sind:

1) g-Tensoren, d.h. die Lage der Resonanzlinien in Abhängigkeit der Orientierung der Probe zum Feld: g-Tensoren können im allgemeinen nur für Einkristalle direkt bestimmt werden. In polykristallinen Materialien und in Pulvern erhält man komplizierte spektrale Abhängigkeiten, sogenannte Pulverspektren, aus denen die Information über den g-Tensor eventuell durch Linienformanalyse erschlossen werden kann. Vor allem bei breiten Linien ist dies jedoch nur sehr schwer mit guter Genauigkeit möglich. Bei schnell rotierenden oder flüssigen Proben erhält man schliesslich nur noch einen räumlich gemittelten Wert für den g-Tensor  - einen skalaren g-Faktor also.

2) Die Hyperfeinaufspaltung der ESR-Linien (Hyperfeinstruktur): Aus der Multiplizität und Lage der Hyperfeinaufspaltung können Informationen über die beteiligten Kerne und über die Stärke der Hyperfein-Wechselwirkung zwischen Elektronen und Kernen gewonnen werden. Für genauere Untersuchungen wird hier oft auf Doppelresonanzmethoden wie ENDOR oder die Overhauser-Verschiebungsmethode (Overhauser-Effekt) zurückgegriffen.

3) Die Feinstrukturaufspaltung (Feinstruktur): sie tritt in Systemen mit wechselwirkenden Elektronenspins (S > 1/2) auf und kommt durch die Wechselwirkung der magnetischen Dipolmomente der Elektronen untereinander zustande. Sie führt bereits ohne äusseres Magnetfeld zu einer Energieaufspaltung (Nullfeldaufspaltung).

Neben der spektralen Lage von ESR-Linien spielt auch ihre Form eine wichtige Rolle: im einfachsten Fall (sogenannte homogen verbreiterte Linie) ist dies eine Lorentz-Linie, bei Vorliegen einer Verteilung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, deren Linien sich überlagern, treten auch andere Linienformen (z.B. Gauss-Verteilung) auf. Man spricht dann von inhomogener Linienverbreiterung.

Wichtige Anwendungsbereiche der ESR-Spektroskopie sind Verbindungen, in denen paramagnetische Ionen enthalten sind, biologische Systeme (Enzyme mit paramagnetischen Zentren, Radikale, freie paramagnetische Ionen), Störstellen in Kristallen (Farbzentren, Dotieratome in Halbleitern), photochemische und radiochemische Effekte. [NN]