Elektronenspinresonanz (ESR)
Bei der Elektronenspinresonanz befindet sich eine Probe in einem Magnetfeld und wird mit Hochfrequenz untersucht. Kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen der Hochfrequenzschwingung und dem Elektronenspin, so ist dies im Messsignal zu sehen.
Das Magnetfeld wird im Versuch mit einem Helmholtzspulenpaar erzeugt. Die Stromversorgung des Spulenpaars erfolgt mit einem einstellbaren Wechselstromnetzteil. Der aktuelle Strom wird über einen Shuntwiderstand gemessung und am Oszilloskop als gelbe Kurve dargestellt.
Das ESR-Betriebsgerät erzeugt eine Hochfrequenz von etwa 50MHz. 1/1000 der aktuellen Frequenz wird vom Betriebsgerät ausgegeben und am Frequenzmessgerät angezeigt. Die Probe kommt in eine kleine Spule des Hochfrequenzaufbaus. Das Messsignal des ESR-Geräts, welches im Oszilloskop als grüne Kurve dargestellt wird, zeigt die Absorbierte Energie der Hochfrequenz an.
Als Probe wird Diphenyl-Pikryl-Hydrazyl (DPPH) verwendet. Es handelt sich dabei um eines der wenigen stabilen Moleküle, die ein Radikal, also ein einzelnes ungepaartes Valenzelektron besitzen. Dieses einzelne Elektron führt zu einem Gesamtspin der Elektronen des Moleküls, welcher nicht Null ist.
Die Resonanzbedingung wird durch folgende Formel beschrieben:
g µ0 B = h f
g: Landé-Faktor (g-Faktor), µ0: Bohrsches Magneton, B: Magnetische Flussdichte, h: Plancksches Wirkungsquantum, f: Frequenz der eingestrahlten Hochfrequenz
Durch den verwendeten Wechselstrom durch die Helmholtzspulen ändert sich die magnetische Flussdichte periodisch. So ist die Resonanzabsorption der Hochfrequenz immer bei gleichem Magnetfeld (= gleiche Stromstärke durch die Spulen) zu beobachten. So verschiebt sich die Position der Absorptionpeaks, wenn man den Maximalstrom durch die Spulen verändert. Die Peaks sind innerhalb einer Periode bis zu viermal zu finden. Zum einen macht es keinen Unterschied ob man die passende Magnetfeldstärke durch das Erhöhen oder Erniedrigen der aktuellen Stromstärke erreicht. Zum anderen spielt es keine Rolle ob das Magnetfeld nach links oder rechts zeigt (also positive oder negative Stromrichtung).
Im nächsten Versuchsteil lässt man die Amplitude des Wechselstroms konstant und ändert die Frequenz der Hochfrequenz. Dabei ist zu beobachten, dass sich die Position des Resonanzpeaks verschiebt. Für die Resonanzbedingung ist bei höherer Frequenz ein stärkeres Magnetfeld (=höherer Spulenstrom) notwendig.
Verwendet man statt DPPH einen anderen Stoff ohne ein freies einzelnes Elektron in seiner Molekülstruktur wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE, auch bekannt als Teflon), so kann auch bei unterschiedlich starkem Magnetfeld keine Elektronenspinresonanz beobachtet werden.