「NMR」という言葉を耳にしたことがあるでしょうか？
これは「核磁気共鳴」というもので、物質中の原子核の状態を
調べることができます。
それに対して「ESR」は「電子スピン共鳴」というもので
電子のスピンの状態を調べることができます。
両者とも原理的には同じで、測定する周波数が違うだけです。

この「ESR」の原理ですが、スピンを持った電子に磁場を与えると
エネルギーが2つに分かれます。
この現象を「ゼーマン効果」といいます。



このとき、エネルギー差が図のように2μ_BＨになります。
これと同じだけのエネルギーを外部から与えると「共鳴」が起きます。
ESRでは、外部からのエネルギーに電磁波を使います。
エネルギーはｈνで与えられます。このことから

2μBＨ＝ｈν

が成り立つように磁場Hを調整すればESRがおきるわけです。
(電磁波の周波数νを調整するのは困難なので磁場を調整します。)

ESRでできること

ESRをもちいることで、主に次のようなことができます。

• 試料が不対電子を持っているかを調べる
• 不対電子の濃度の計測
• 電子のエネルギー状態

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NMRもESRも原理は同じです。
実際には、磁場の大きさや電磁波の周波数などが違ってきます。
また、測定できる試料も違ってきます。

ESRの場合、外部から磁場をかけることによって
エネルギーの縮退が解けます。（ゼーマン効果）
しかし、その量子状態に電子が２つすでに存在すると
片方が励起状態になると、もう片方は基底状態に同じに移動します。
これは、パウリの排他律のためです。
したがって、外部には何の影響を与えません。

したがって、ESRで観測できるのは不対電子を持った試料だけです。

実際にESRを測定する場合は、右図のように
試料に対して図の灰色のように外部磁場を
与えます。そのとき、外部磁場に対して
垂直に電磁波を与えられるようにすることで
ESRの測定ができるようになります。
（NMRも同じです。）

ESRでは、電磁波の周波数は一定にしておき、
外部磁場を変えることによって、共鳴周波数を
探すようになっています。

それに対してNMRの場合は、外部磁場を
一定にしておいて電磁波の周波数をかえることで
共鳴周波数を探します。（少なくとも、うちの研究室では）

このような装置からのESRの信号を、積算器に加算、平均化することで
ESRの信号を取り出すことができます。

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