Versuch A8: Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR)

Transkript

1 Fortgeschrittenenpraktikum Physik, FU-Berlin Versuch A8: Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Jonas Lähnemann Antonia Oelke 29. Mai 2006

2 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Gliederung 1. Geschichte und Einordnung 2. Theorie der Elektronenspinresonanz 3. Versuchsaufbau im FP 4. Messergebnisse 5. Ausblick 6. Literatur Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 1

3 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Geschichte 1896 Entdeckung des Zeeman Effekts Aufspaltung der Linien optischer Spektren im Magnetfeld = Postulierung des Bahndrehimpulses Auf Grundlage des anomalen Zeeman-Effekts und des Stern- Gerlach Versuchs (1920) schlugen Goudsmith und Uhlenbeck 1925 den Spin als weitere Quantenzahl vor 1944 hat Jewgeni Konstantinowitsch Sawoiski die erste ESR- Messung an CuCl 2 2H 2 O erfolgreich durchgeführt Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 2

4 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Einordnung Voraussetzung: ungepaarte Elektronenspins (z.b. Paramagneten) niedrigenergetische Spektroskopie (wie auch NMR und andere) Je höher die Energien, desto besser die Empfindlichkeit, desto schlechter die strukturelle Auflösung und desto besser die Zeitauflösung. nicht destruktiv Anwendung u.a. in der Materialwissenschaft, sowie in der biologisch/biochemischen Strukturanalyse Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 3

5 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Theorie 1 magnetisches Moment des Spins und g-faktor µ S = γ S γ... gyromagnetisches Verhältnis γ h = g e µ B g e... Landéfaktor für freies Elektron g e = 2, Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 4

6 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Theorie 2 Zeeman-Aufspaltung Bei der ESR werden Übergänge zwischen den Zeeman-Niveaus von Elektronen im Magnetfeld angeregt H Spin = Bµ S = g eµ B h B S M S =±1 = E = hν = g e µ B B 0 Quelle: Gunnar Jeschke, MPIP Mainz Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 5

7 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Theorie 3 g-faktor WW mit anderen Spins und den Bahndrehmomenten verursachen Abweichungen von g e Kristallgitter und Orbitale verursachen Vorzugsrichtungen g ist nicht isotrop H Spin = µ B h B ĝ S in Flüssigkeiten g isotrop aufgrund der Brownschen Bewegung Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 6

8 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Theorie 4 Hyperfein-Wechselwirkung Hyperfeinwechselwirkung zwischen Elektron- und Kernspin I H Hyp = h S ˆT I ˆT... Hyperfeinwechselwirkungstensor Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 7

9 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Theorie 5 Gesamt-Hamiltonian H ges = H 0 + H Spin + H Hyp H ges = H 0 + µ B Bĝ S + h S ˆT I = E = E 0 + gµ B B 0 M S + ahm S M I Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 8

10 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Theorie 6 Messgleichungen Auswahlregeln M S = ±1 und M I = 0 mit M I = 0 gilt g = hν µ B B 0 = E = hν = gµ B B 0 + ahm I mit I = 1, d.h. M I = 0, ±1 gilt für die Hyperfeinkonstante a = gµ B 2h B Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 9

11 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Versuchsaufbau 1 Allgemeiner Aufbau Standardparameter: Magnetfeld: B 0, 34 T Mikrowellen: ν 9, 5 GHz (λ 3 cm) Quelle: Haken/Wolf, Atom- und Quantenphysik, 2004 Aufnahme der Messung mittels Lock-In Detektion. Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 10

12 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Versuchsaufbau 2 Klystron Mikrowellensender aus der Radartechnik (X-Band) Reflexklystron: e durchlaufen Resonator zweimal Quelle: Wikipedia 1. Durch Feld im Resonator wird ihre Geschwindigkeit moduliert 2. Als Pakete gebündelt durchlaufen sie den Resonator erneut und verstärken die MW-Frequenz Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 11

13 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Versuchsaufbau 3 Hohlleiter Computersimulation des Mikrowellenverlaufs im Hohlleiter: Normale Kabel ungeeignet, da Eindringtiefe: δ = 1 πνµ 0 µ r σ δ Cu (ν = 9, 5GHz) 0, 8 µm Man verwendet Hohlleiter: typische Abmaße (X-Band): a=22,86 mm b=10,16 mm Quelle: B. Plaum, IPF Stuttgart λ max = 2a 45 mm Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 12

14 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Versuchsaufbau 4 Lock-In periodische Modulation des Magnetfelds Multiplikation des aufgenommenen Signals mit dem Schaltsignal der Modulation (Gleichrichtung) analoge Mittelung des Signals Quelle: H.-J. Reyher, Uni Osnabrück = Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses um mehr als eine Größenordnung Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 13

15 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Versuchsaufbau 5 Lock-In Lock-In Detektion liefert die Ableitung des Signals: Quelle: H.-J. Reyher, Uni Osnabrück Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 14

16 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Messergebnisse 1 Bestimmung des g-faktors Probe: DPPH (Diphenylpicrylhydrazylradikal) g = hν µ B B 0 = 2, 002(3) ± 0, 003 Literaturwert: g = 2, 0036 (Quelle: Wikipedia) Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 15

17 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Messergebnisse 2 Hyperfeinwechselwirkungskonstante Probe: Tanol (Nitroxidradikal) a = gµ B 2h B = 47, 4 MHz Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 16

18 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Messergebnisse 3 Richtungsabhängiger g-faktor Für verschiedene Ausrichtungen des Kupfersulfat-Einkristalls zum Magnetfeld wurden Messungen aufgenommen und g-faktoren berechnet: g-faktor Sin 2 Fit an die winkelabhaengigen Kupfersulfat Messungen 2.26 gem. g-faktoren 2.24 Sin 2 Fit Winkel in Grad g(θ) = g + (g g ) sin 2 (θ + θ 0 ) g-faktor Linearer Fit der g-faktoren gegen Sin 2 Messwerte Fit: a=2.08, b= Sin 2 (theta) = θ 0 = 21 g = 2, 08 (2, 08) g = 2, 22 (2, 27) Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 17

19 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Ausblick 1 Anwendungen der ESR W-Band-ESR der AG Bittl 94GHz, 3,4T (supraleitender Magnet) Kosten 1 Mio e 3 W-Band-Spektrometer in Deutschland Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 18

20 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Ausblick 2 Anwendungen der ESR W-Band-ESR der AG Bittl Vorteil: kleine Probenmengen! (z.b. Proteinkristalle) Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 19

21 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Ausblick 3 Puls-ESR-Spektroskopie 1.5e+07 1e+07 Puls-EPR-Spektrum von einem Aminosaeureradikal (Tyrosin-Neutralradikal) Y D im Photosystem II Signal 1. Ableitung (*50) 5e+06 Intensitaet 0-5e+06 Resonanzfeldstaerke -1e e+07-2e B/G (Daten: Christian Teutloff, AG Bittl) Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 20

22 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Ausblick 4 H O H O O O O H H H H NH 2 Backbone COOH Ableitung des Puls-EPR-Spektrums des Tyrosin-Neutralradikals Y D im Photosystem II 1. Ableitung des Signals g x g y Intensitaet g z Verhaeltnis der Intensitaeten: B/G Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 21

23 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Ausblick 5 Puls-ESR FT-ESR Weitere Methoden der ESR-Spektroskopie Elektronen-Kern-Doppelresonanz (Electron Nuclear DOuble Resonance) Elektron-Elektron-Doppelresonanz (ELDOR) Ferromagnetische Resonanz (FMR) AG Kuch Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 22

24 Elektronenspinresonanz an paramagnetischen Molekülen (ESR) Literatur Literatur [1] Haken und Wolf: Atom- und Quantenphysik (Kapitel 13), 8. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2004 [2] Haken und Wolf: Molekül- und Quantenphysik (Kapitel 19), 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2006 [3] Reyher, H.-J.: Prinzip der Lock-In-Detektion am Beispiel eines ESR-Signals, LockInDetektion.pdf [4] Wikipedia, Die freie Enzyklopädie, de.wikipedia.org ; en.wikipedia.org [5] Gunnar Jeschke, Einführung in die ESR-Spektroskopie (Vorlesungsskript), Antonia Oelke & Jonas Lähnemann 23