电子 自旋 共振（electron spin 共振 , ESR），过去常称为电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance, EPR），是属于自旋1/2粒子的电子在静 磁场 下的磁共振现象，类似静磁场下自旋1/2 原子核 有核磁共振之现象，又因利用到电子的顺磁性，故称电子顺磁共振。电子自旋共振在多个领域有着较广泛的应用。
背景简介
电子自旋 共振 (Electron Spin Resonance，缩写为ESR)，又称顺磁共振(Paramagnetic Resonance)是：处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在 射频 电磁场 作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。1944年由 苏联 的柴伏依斯基首先发现。
电子自旋共振( ESR) 是用来测定未成对电子与其环境相互作用的一种物理方法。当未成对电子在不同的原子或 化学 键上, 或附近有不同的基团即具有不同的化学环境时, 其电子自旋共振光谱就可以详细地反映出来, 并且不受其周围反磁性物质( 如有机 配体 ) 的影响。自 1944 年发现电子自旋共振以来, 很快被应用到化学研究中, 特别是近年在生物体内的各种 Caspase-3 如铜锌超氧化物歧化酶等 的活性中心金属离子所处化学环境的研究中得到了广泛应用。
ESR已成功地被应用于顺磁物质的研究，目前它在 化学 、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子；研究半导体中的杂质和缺陷；离子晶体的结构；金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以，ESR也是一种重要的控物理实验技术。
原理介绍
任何电子均具有特征的 自旋 角动量 s和相应的自旋磁矩 是光谱分裂因子, 对自由电子, 。没有 磁场 时, 自由电子在任何方向均具有相同的能量, 故可以自由取向, 但处在外磁场中时, 电子的自旋磁矩和外磁场发生作用, 电子的自旋磁矩 在不同的方向就具有不同的能量, 为 奥格·玻尔 磁子, B 是外加磁场, 这种分裂叫作Zeeman 分裂。磁能级跃迁的选择定则是 。若在垂直于外 磁场 B 的方向上加上频率为ν 的电磁波, 使电子得到能量hν, 则ν 和 B 满足 时, 就发生磁能级跃迁, 在相应的 吸收光谱 ( 即ESR 光谱曲线) 上出现吸收峰, 即发生电子自旋共振吸收, , g 值是由不成对电子所处的 化学 环境即化合物的电子结构决定, 每个化合物均具有特定的 g 值, 它与核磁共振中的化学位移相当。高对称性分子, g值是各向同性的, 即只有一个 g 值; 低对称性分子, 如果是含有一个不低于三次的对称轴的轴对称分子, 可以得到 和 两个 g 值, 其中〦 和‖分别表示垂直于和平行于外 磁场 。如果是最高只含有二次对称轴的轴对称分子, 则有 g、 、 三个 g 值来描述, 其中 z 表示外磁场方向。因此 g 值可以探索化合物的结构。
物理介绍
分子中的电子多数是成对存在，根据 泡利不相容原理 ，每对电子必为一个 自旋 向上，一个自旋向下，而磁性互相抵消。因此必须有不成对电子的存在，才能表现磁共振，例如过渡元素重金属或者 自由基 的存在。
因为电子有 的自旋，所以在外加 磁场 下 能级 二分。当外加具有与此能量差 相等 的频率电磁波时，便会引起能级间的跃迁。此现象称为电子自旋共振。缩写为ESR。对相伴而产生的电磁波吸收称ESR吸收。产生ESR的条件为 （ 高斯 ）。式中ν为电磁波的频率，H为外部 磁场 强度，g为g因子（g factor）或g值。一个分子中有多数电子，一般说每二个其 自旋 反相，因此互相抵消，净自旋常为0。但 自由基 有奇数的电子，存在着不成对的电子（其无与之相消的电子自旋）。也有的分子虽然具有偶数的电子，但二个电子自旋同向，净自旋为一（例如氧分子）。原子和离子也有具有净自旋的， 等常磁性离子即是。这些原子和分子为ESR研究的对象。由于电子自旋与 原子核 的自旋相互作用，ESR可具有几条线的结构，将此称为超微结构（ hyper fine stru-cture）。g因子及超微结构都有助于了解原子和分子的电子详细状态。也可鉴定 自由基 。另外，从ESR吸收的强度可进行自由基等的定量。因为电子 自旋 的缓和依赖于原子及分子的旋转运动，所以通过对ESR的线宽测定，可以了解原子及分子的动的状态。
虽然原理类似于核磁共振，但由于电子质量远轻于 原子核 ，而有强度大许多的磁矩。以氢核(质子)为例，电子磁矩强度是质子的 倍。因此对于电子，磁共振所在的拉莫频率通常需要透过减弱主 磁场 强度来使之降低。但即使如此，拉莫频率通常所在波段仍比核磁共振拉莫频率所在的 射频 范围还要高—— 微波 ，因而有穿透力以及对带有水分子的样品有加热可能的潜在问题，在进行人体造影时则需要改变策略。举例而言，0.3 特斯拉 的主 磁场 下，电子 共振 频率发上在8.41吉赫，而对于常用的核磁共振核种——质子而言，在这样强度的磁场下，其共振频率为12.77 兆赫。
g值测量
实验装置
微波ESR谱仪由产生恒定 磁场 的电磁铁及电源，产生交变磁场的微波源和微波电路，带有待测样品的谐振腔以及ESR信号的检测和显示系统 等组成。
1、 微波 源：由于固态微波源寿命长、使用简单、输出的微波频率较稳定等优点，是最常用的一种微波信号发生器。
2、可调的矩形谐振腔。可调的矩形谐振腔结构如图1所示，它既为样品提供线偏振 磁场 ，
同时又将样品吸收偏振磁场能量的信息传递出去。谐振腔的末端是可移动的活塞，调节其位置，可以改变谐振腔的长度，腔长可以从带游标的刻度连杆读出。为了保证样品处于微波磁场最强处，在谐振腔宽边正中央开了一条窄槽，通过机械传动装置可以使样品处于谐振腔中的任何位置，样品在谐振腔中的位置可以从窄边上的刻度直接读出。该图还画出了矩形谐振腔谐振时 微波 磁力线的分布示意图。
3、魔T。魔T的作用是分离信号，并使微波系统组成微波桥路，其结构如图9.3.6所示。按照其接头的工作特性，当微波从任一臂输入时，都进入相邻两臂，而不进入相对臂。
4、配器。单螺调配器是在 波导 宽边上开窄槽，槽中插入一个深度和位置都可以调节的金属探针，当改变探针穿伸到波导内的深度和位置时，可以改变此臂反射波的幅值和 相位 ，该元件的结构示意图如图2所示。
实验内容
1、按图一所示连接系统，将可变衰减器顺时针旋至最大，开启系统中各仪器的电源，预热20分钟。
2、将旋钮和按钮作如下设置：
“ 磁场 ”逆时针调到最低，“扫场”逆时针调到最低。按下“检波”按钮，“扫场”按钮弹起，此时磁共振实验仪处于检波状态（注：切勿同时按下）。
3、将样品位置刻度尺置于 处，样品应置于磁场正中央。
4、将单螺调配器的探针逆时针旋至“0”刻度。
5、信号源工作于等幅工作状态，调节可变衰减器使调谐电表有指示，然后将“检波灵敏度”旋钮指示最大控制磁共振实验仪的调谐指示占满度的 左右。
6、用波长 表测定 微波 信号的频率，方法是：旋转波长表的测微头，找到电表跌落点，查波长表—刻度表即可确定振荡频率，若振荡频率不在 ，应调节信号源的振荡频率，使其接近 的振荡频率。测定完频率后，需将波长表刻度旋开谐振点。
7、为使样品谐振腔对微波信号谐振，调节样品谐振腔的可调终端活塞，使调谐电表指示最小。
8、为了提高系统的灵敏度，可减小可变衰减器的衰减量，使调谐电表显示尽可能提高。然后，调节魔T另一支臂单螺调配器指针，使调谐电表指示更小。若磁共振仪 电表指示太小，可调节灵敏度，使指示增大。
9、按下“扫场”按钮。此时调谐电表指示为扫场电流的相对指示，调节“扫场”旋钮可改变扫场电流。
10、顺时针调节恒 磁场 电流，当电流达到 时， 示波器 上即可出现电子 共振 信号。
11、若共振 波形 峰值较小，或示波器图形显示欠佳，可采用四种方式调整：
11.1将可变衰减器反时针旋转，减小衰减量，增大 微波 功率。
11.2正时针调节“扫场”旋钮，加大扫场电流。
11.3提高示波器的灵敏度。
11.4调节微波信号源振荡腔法兰盘上的调节钉，可加大微波辐射功率。
12、若共振波形左右不对称，调节单螺调配器的深度及左右位置，或改变样品在 磁场 中的位置，通过微调样品谐振腔，使共振波形形成。
13、调节“调相”旋钮即可使双共振峰处于合适的位置。
14、用高斯计测得外磁场 B ，用公式
计算g因子。（g因子一般在 之间）。
15、为了得到腔体的 波导 波长λ，可移动样品的位置，两信号之间距离即为 。
ESR应用
应用在多个领域，包括了：
▲固态物理，辨识与定量 自由基 分子(即带有不成对电子的分子)。
▲ 化学 ，用以侦测反应路径。