物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì),都是由其內(nèi)部的精確結(jié)構(gòu)和顯微組織所決定的。物質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)的精確匹配,由原子間的不同軌道重疊所決定,最終使不同物質(zhì)具有不同動態(tài)行為的電子,表現(xiàn)為物質(zhì)的不同性質(zhì)。這些特征決定著該物質(zhì)在材料科學(xué)、信息科學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域(或?qū)W科)的應(yīng)用。比如,各類化學(xué)鍵、導(dǎo)體和半導(dǎo)體的能帶等,均涉及原子軌道和分子軌道的組合和再組合等紛繁雜化的相互作用。因此,人們?nèi)粝刖_揭示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu),勢必需要掌握原子軌道和分子軌道的能級結(jié)構(gòu)和相互重疊情況。軌道間的不同重疊程度,造成原子核外價電子層的電子排布呈現(xiàn)差異,甚至使原子或分子具有*不同的性質(zhì)。
實驗上,從電子、軌道和原子核等不同維度闡釋微觀原子和分子的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu),是我們了解該物質(zhì)性質(zhì)的基礎(chǔ)。技術(shù)上,電子順磁共振波譜(electron paramagnetic resonance spectroscopy,EPR)是only能直接跟蹤未配對電子的研究方法。它提供著原位和無損的電子、軌道和原子核等微觀尺度的信息。EPR的特征gi(i=x,y,z)因子反映著微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、對稱性和有序性:對于孤立(或弱配位)的原子,它的軌道量子數(shù)是個好量子數(shù),用朗德因子gj即可描述該孤立原子的狀態(tài);當(dāng)配位變強、化學(xué)結(jié)構(gòu)變穩(wěn)定時,軌道因重疊而被部分凍結(jié)(或淬滅),軌道被凍結(jié)的程度表現(xiàn)為gi因子的各向異性,且gi與自由電子ge的差別越小,晶體場越強和自旋-晶格弛豫時間亦越長;gi同時還反映著該原子結(jié)構(gòu)的對稱性,并驗證群論和其他光譜理論和數(shù)據(jù)。原子核與電子之間的磁性相互作用,用超精細(xì)耦合常數(shù)Ai表示,它反映著電子自旋的離域或定域情況。每個核的超精細(xì)分裂都不一樣,因此,超精細(xì)結(jié)構(gòu)被用于原子核的有規(guī)定位。一個原子內(nèi)部多個未配對電子之間的相互作用,用零場分裂Di來描述;相鄰原子間多個未配對電子之間的鐵磁或反鐵磁耦合Ji,反映著宏觀物質(zhì)的鐵磁性、反鐵磁性或抗磁性;當(dāng)未配對電子之間的距離比較遠(yuǎn)時,彼此間以偶極相互作用為主,表現(xiàn)為電子之間的相干性,可用于量子操控、精密測量等。實際上,EPR提供了一個深入學(xué)習(xí)量子理論的實驗方法,讓讀者更深入地學(xué)習(xí)貫穿于物理、化學(xué)和材料科學(xué)的光、聲、電、磁等基本現(xiàn)象。
本書是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院的研究生基礎(chǔ)課系列教材中的交叉學(xué)科分冊,也是基于電子自旋的物理、化學(xué)、生物、材料等學(xué)科交叉的一本專著。全書共8章,第1~5章分別是電子順磁共振波譜的基本原理、譜儀原理、各向同性、各向異性和脈沖理論等內(nèi)容,第6、7章是化學(xué)、生物、材料等領(lǐng)域的應(yīng)用范例,第8章重點介紹了應(yīng)用電子順磁共振波譜解析基本生命活動中的電子傳遞。本書可作為高等院校和科研機構(gòu)的物理、化學(xué)、生物、材料等專業(yè)的研究生教材,也可供相關(guān)專業(yè)的教師和科研人員參考。
叢書序
作為第一本面向?qū)嶒灥腅PR專著,本書將作為2022年夏季(第七期)電子順磁共振波譜高級研討班教材。蘇吉虎教授將根據(jù)最新的教材內(nèi)容,對課程進行優(yōu)化升級,與學(xué)員們進行針對性的研討交流。請有意參加研討班的學(xué)員仔細(xì)研讀本書!
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