電子スピン共鳴装置(ESR1）

装置概要

1.ESRの原理

ESRとは電子スピン共鳴（Elecrton Spin Resonance）の略です。

常磁性物質または不対電子を持ったラジカルは原子内の電子数が奇数個ととなるため、電子スピンが存在します。電子スピンを含む試料に強い磁場を与えると、磁場方向にスピンが向きを変えます。（ゼーマン分裂）一部のスピンは、磁場に平行（Eα＝-1/2gβH0）に、一部のスピンは磁場と逆平行（Eα=+1/2gβH0）になります。前者のスピンの方が安定で、確率的に若干多く存在します。前者と後者のスピンのエネルギー差（△E=gβH０）は磁場の強さ（H0）により変化しますが、マイクロ波のエネルギーのオーダーです。したがって、前者から後者のスピンに向きを変えるのに必要なエネルギーを（マイクロ波を）試料に照射すると、共鳴がおこり、入射したマイクロ波が吸収されます。共鳴が起こる磁場Ｈ０で吸収が起こり、マイクロ波の強度は極小値を持ちます。ESRの信号はマイクロ波の強度の磁場に関する微分値として得られ、ESRシグナルとなります。
吸収が起こるときの、周波数、磁場の強さを測定すると、電子スピンの状態（不対電子の状態）がわかります。また吸収の度合いを測定すると、電子スピンの濃度が求められます。

2.ESRから何がわかるか。不対電子の有無およびそれらの定量

• 分子中の不対電子の位置、およびその周囲の状態
• 吸収の時間変化から、反応速度や反応機構
• 特殊な原子価を持った元素の同定など

（たとえば、光化学反応、電気化学反応などにより生じる励起原子、ラジカルなどの同定ができます。最近では、酸化チタン光触媒、電池材料、光分解ポリマーラジカル、生体内活性酸素ラジカルなどについて注目されています。）
測定例の一つが酸化バナジウム薄膜のESRスペクトルです。酸化バナジウムは処理条件で種々のバナジウムが生成されることが知られています。ESRでは不対電子を持った４価のバナジウム（Ｖ４＋）が観測できます。酸化バナジウム薄膜を熱処理しますと、処理温度が上昇するにつれてシグナル強度が減少し、Ｖ4+がESRで観測されないＶ5+へ変化していることがわかります。バナジウム酸化物の触媒、電気的物性はバナジウムの価数により大きく変化することが知られており、ESRはそれを容易に観測することができます。

装置仕様

上記の装置により、光照射測定、温度変化測定などの多様な測定を行うことが出来ます。

その他

1.測定試料について

通常は固体試料を5f石英ガラス管に入れて測定します。液体試料（水溶液）の場合は、誘電損失が大きく、感度が低いので、細かい試料管（溶液セル）を用いて測定いたします。もし必要であれば、購入方法などを管理者に問い合わせて下さい。

実際の測定対象としては

• 半導体、磁性物質、超伝導体などの電子状態
• 単結晶中の格子欠陥、不純物（ドーパントなど）の電子状態
• ガラス、アモルファス物質の構造
• 触媒の表面状態、触媒能、光触媒反応性および光化学反応機構
• 高分子の重合課程のラジカル
• 高分子の分解（光分解、放射線分解、熱分解、化学分解）
• 生体内の酸素ラジカル
• 油分の酸化（食用オイル、石油など）

その他、多岐の応用分野の研究にESRが利用可能です。

2.使用上の注意

• 使用方法は必ず熟知しておくこと。
• 強力な磁場が発生しますので、時計、磁気カードなど磁化されると困る物は、装置から遠ざけること。
• 窒素ガスを使用する測定では（温度可変低温測定など）十分に換気に注意すること。
• 必ず複数の者で測定を行って下さい。
• 測定終了後は、使用記録に記入し、必ず施錠して退出してください。