物質(zhì)的物理和化學性質(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、信息科學、生命科學和醫(yī)學、藥學等領(lǐng)域(或?qū)W科)的應(yīng)用。比如，各類化學鍵、導體和半導體的能帶等，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)；當配位變強、化學結(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。每個核的超精細分裂都不一樣，因此，超精細結(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；當未配對電子之間的距離比較遠時，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提供了一個深入學習量子理論的實驗方法，讓讀者更深入地學習貫穿于物理、化學和材料科學的光、聲、電、磁等基本現(xiàn)象。
然而，初學者若想學習和掌握EPR的基礎(chǔ)知識，只能去浩如煙海的文獻里檢索和過濾，因為新文獻往往都是有意無意地蜻蜓點水或一筆帶過這些基礎(chǔ)知識。這顯然不利于初學者有效地學習和掌握EPR，最終勢必造成人才隊伍的減少，至斷層。2011年春，筆者因故嘗試組織一次全國性的電子順磁共振波譜學術(shù)研討會。雖然此次會議成功召開，但是其間交流時，與會人員都非常憂慮國內(nèi)人才隊伍斷層的現(xiàn)況，鼓勵我們?nèi)蘸蠼M辦一個周期性的會議，為國內(nèi)創(chuàng)造一個學術(shù)交流的氛圍和平臺，同時希望我們能帶頭開設(shè)相關(guān)課程和學習班。同期，筆者也正式開設(shè)研究生專業(yè)課“電子順磁共振波譜：原理和應(yīng)用"。自2012年起，在每次全國電子順磁共振波譜學學術(shù)研討會期間和會后，舉辦約10學時的課程，為國內(nèi)培養(yǎng)人才隊伍。2015年起，EPR培訓班開始獨立舉辦，時長由四天約50學時逐漸延長到七八天，學習效果也益加顯著。通過學術(shù)會議和學習班兩個渠道的持續(xù)努力，國內(nèi)EPR學術(shù)氛圍日益濃厚，人才隊伍逐漸壯大，應(yīng)用研究水平也日漸趨高，影響力日益擴大。在這些學術(shù)活動中，所使用的輔助教材基本上都是國外的，國內(nèi)的專著(詳見第1章末的閱讀材料)普適性不是很好，制約著初學者的學習和消化。在此背景下，本書呼之欲出，然而，知易行難。寫書的初心，早就有之。筆者在國外留學期間，留意到每家實驗室都收藏不少專著，為學習在業(yè)余時間將部分章節(jié)譯成中文。但是，筆者在與國內(nèi)不計其數(shù)的同行交流中，覺得不能翻譯已有的外文專著應(yīng)付了事，而是必須立足國內(nèi)現(xiàn)狀和當前物質(zhì)科學研究的發(fā)展趨勢，從頭寫一本能惠及盡可能多讀者的全新專著，壓力頓顯。EPR是一門實驗學科，也是一門理論學科?！峨娮禹槾殴舱癫ㄗV ——原理與應(yīng)用》立足于實驗，強調(diào)譜圖解析和歸屬及其所需基礎(chǔ)知識，不拘泥于嚴格的數(shù)學推導，這樣的選材才能惠及盡可能多的讀者。EPR譜圖分析，讀者也不能拘泥于所謂的“常識"，這樣會遺漏某些重要信息。恰如科學案例，許多極ju吸引力的，甚至*不可思議的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學現(xiàn)象，都已經(jīng)被證明是被這些極ju欺騙性的“常識"外殼所掩蓋了。非物理背景的讀者，通過學習和掌握EPR解譜與歸屬，除了能解釋和掌握物質(zhì)的精確結(jié)構(gòu)和顯微組織，還能深入學習結(jié)構(gòu)化學和與之相輔相成的量子化學、量子理論。對于那些想致力于提升理論知識的讀者，通過學習和掌握EPR解譜與歸屬，同樣也能提升自身的理論知識，并用理論指導應(yīng)用研究。 左圖是筆者在操作國儀量子X-波段EPR-100譜儀，右圖是筆者二人與石致富(左一)在first國儀量子W-波段EPR譜儀前的合影。EPR-100型譜儀兼?zhèn)溥B續(xù)波和脈沖兩種制式，可從事4～300K的變溫實驗；該型譜儀已衍生出多款不同型號的系列譜儀，包括X-波段立式連續(xù)波譜儀(EPR200、EPR200-Plus)和X-波段臺式譜儀，以針對不同用戶之所需。EPR200-Plus譜儀易于進行整體移動，根據(jù)實驗需求在不同實驗室之間往返運輸使用，提高譜儀使用效率本書所使用的未加以標明的原始譜圖，主要有三個不同來源：(1) 筆者之一蘇吉虎曾經(jīng)做過博士后的兩個課題組，即Stenbj?rnStyring教授(瑞典烏普薩拉大學)課題組和WolfgangLubitz教授(德國馬普生物無機化學研究所)課題組。(2) 中國科學技術(shù)大學結(jié)構(gòu)中心，陳家富教授提供。(3) 國內(nèi)不少同行提供了許多素材，但不能一一采納，被采納后會在圖例中作說明和致謝，有些則按要求隱匿不標。有些圖例，因出版時間較早造成網(wǎng)絡(luò)電子版的分辨率較低，筆者盡力向原文作者索要，并在圖例中一一作說明和致謝。首先，S.Styring教授給筆者之一蘇吉虎提供了一個從*掃盲的兩年EPR應(yīng)用研究；之后，W.Lubitz教授給予四年博士后的訪問工作，讓筆者之一蘇吉虎不僅全面、深入、系統(tǒng)地學習連續(xù)波和脈沖基礎(chǔ)知識，并直接應(yīng)用于具體實驗中，而且有機會瀏覽實驗室多年積累的豐富多樣的原始譜圖，其中不少譜圖用來做成本書的范例。W.Lubitz教授非常關(guān)心本書的寫作進程，并提供了許多圖例和關(guān)鍵文獻。他是EPR和光合作用結(jié)合研究領(lǐng)域中的著名學者，一生致力于EPR的應(yīng)用研究。2015年7月，正值他退休之際，J.Phys.Chem.B(2015，119:13475-13944)作一特別?？?，以表彰他在該領(lǐng)域的貢獻。
本書是中國科學技術(shù)大學物理學院的研究生基礎(chǔ)課系列教材中的交叉學科分冊，也是基于電子自旋的物理、化學、生物、材料等學科交叉的一本專著。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、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、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
前言
部分EPR數(shù)據(jù)庫
魔法五角形與g因子，各個p、d軌道函數(shù)之間的演化關(guān)系
第1章 電子順磁共振波譜的基本原理 1
1.1 電子順磁共振波譜概論 1
1.1.1 電子順磁共振波譜在整個波譜學中的地位 1
1.1.2 部分能量單位的相互換算 7
1.1.3 EPR常用物理量的稱謂和表述 8
1.1.4 EPR發(fā)展簡史 9
1.2 物質(zhì)的磁性 10
1.2.1 原子核的磁性 10
1.2.2 電子的本征磁矩和軌道磁矩 11
1.2.3 原子核外電子排布規(guī)律 12
1.2.4 原子總磁矩，自旋-軌道耦合，朗德因子gJ 16
1.2.5 宏觀物質(zhì)的磁性 19
1.2.6 EPR與其他磁化率探測方法的比較 20
1.3 電子順磁共振的基本原理 21
1.3.1 經(jīng)典小磁體的磁場作用能 21
1.3.2 電子自旋的磁場作用能 21
1.3.3 磁共振現(xiàn)象 23
1.3.4 g因子是共振吸收峰的指紋 26
1.3.5 EPR譜的規(guī)范描述 28
1.4 不確定性原理，譜型和展寬 29
1.4.1 洛倫茲譜型，自旋-晶格相互作用和弛豫時間T 129
1.4.2 高斯譜型，自旋-自旋相互作用和弛豫時間T 232
1.5 量子力學基礎(chǔ) 34
1.5.1 算符和力學量，正交性和歸一性 34
1.5.2 波函數(shù)和概率幅 36
1.5.3 升降算符，躍遷選擇定則 37
1.5.4 完整的和等效的自旋哈密頓算符H 40
1.5.5 久期方程 41
1.5.6 微擾理論 43
1.6 基本磁性粒子的物理性質(zhì) 45
參考文獻 50
閱讀材料 51
第2章 譜儀原理和操作 57
2.1 躍遷和躍遷概率 57
2.1.1 靜磁場中的自旋角動量 57
2.1.2 含時微擾，躍遷概率，同相和異相 60
2.1.3 單量子躍遷，g因子的正與負 62
2.1.4 多量子躍遷 63
2.2 譜儀構(gòu)造和工作原理 64
2.2.1 磁場系統(tǒng)，g值制約 64
2.2.2 微波波源 66
2.2.3 微波頻率，大氣透明窗口 67
2.2.4 微波功率 68
2.2.5 波導和波模 70
2.2.6 諧振腔，垂直和平行模式 73
2.2.7 諧振腔的品質(zhì)因子，Q值 77
2.2.8 填充因子，連續(xù)波信號的形成 78
2.2.9 終端檢測系統(tǒng)，固有噪聲抑制 79
2.2.10 調(diào)制系統(tǒng) 80
2.2.11 鎖相放大器 81
2.2.12 其他部件 82
2.2.13 脈沖式譜儀簡介 82
2.2.14 新型的1～15GHz寬帶譜儀 83
2.3 靈敏度和譜儀操作 86
2.3.1 靈敏度，低、高頻EPR的簡要比較 87
2.3.2 操作X-波段譜儀的注意事項 88
2.3.3 樣品濃度，信號淬滅 93
參考文獻 96
閱讀材料 98
第3章 各向同性和自由基 102
3.1 各向同性 102
3.1.1 各向同性的g因子 103
3.1.2 各向同性的超精細相互作用 104
3.1.3 同位素豐度和同位素示蹤 111
3.2 烴基自由基 112
3.2.1 電子密度，自旋密度 113
3.2.2 氫原子，自旋布居 114
3.2.3 甲基自由基，自旋極化，自旋離域，α-H 115
3.2.4 乙基自由基，超共軛，β-H 117
3.2.5 其他開鏈烷基和單環(huán)烷基自由基 118
3.2.6 共軛自由基 120
3.2.7 含共軛結(jié)構(gòu)的烴自由基 122
3.2.8 氘代影響著共軛自由基的電子結(jié)構(gòu) 125
3.2.9 烴類自由基的譜圖解析，楊輝三角 126
3.2.10 碳族其他元素的自由基 128
3.2.11 理論計算和分子軌道理論 130
3.3 雜原子自由基 131
3.3.1 N中心自由基 132
3.3.2 O/S中心的醚/硫醚自由基 135
3.3.3 O中心的烷基酰/酮自由基 137
3.3.4 烷氧、酚、醌和半醌自由基 139
3.3.5 P和S中心自由基 140
3.3.6 部分雙原子、三原子等多核中心的自由基 142
3.3.7 共軛的雜環(huán)自由基 145
3.3.8 B或Al中心的有機自由基 148
3.3.9 含有多個N或P的共軛雜環(huán)自由基 150
3.4 氮氧自由基和自旋捕獲 151
3.4.1 NO-和NO2-中心自由基 151
3.4.2 自旋捕獲反應(yīng) 156
3.4.3 MNP捕獲 161
3.4.4 DMPO捕獲 164
3.4.5 自由基轉(zhuǎn)變，捕獲劑的選擇 168
3.4.6 BMPO、DEPMPO及其衍生物的同分異構(gòu)現(xiàn)象 172
3.4.7 PBN捕獲 174
3.4.8 金屬離子捕獲劑 175
3.5 自由基形成 176
3.5.1 中性自由基 176
3.5.2 陰離子自由基 179
3.5.3 陽離子自由基 180
3.5.4 自由基化學的展望 181
參考文獻 182
第4章 各向異性 186
4.1 晶體場中p和d軌道的能級分裂 186
4.1.1 s、p、d、f等原子軌道的空間取向 187
4.1.2 晶體場理論和d軌道能級分裂 187
4.1.3 過渡離子的高、低自旋，EPR沉默態(tài)和活躍態(tài) 192
4.1.4 p和d軌道角動量的淬滅 193
4.1.5 稀土離子 195
4.2 低自旋體系S=1/2的g各向異性 195
4.2.1 含單個未配對電子的自旋-軌道耦合 195
4.2.2 含兩個以上未配對電子的自旋-軌道耦合 197
4.2.3 低自旋體系S=1/2的g因子各向異性 199
4.2.4 粉末譜的規(guī)范標識 208
4.2.5 涉及分子軌道的雙原子自由基 210
4.2.6 有機自由基的g因子和紫外-可見光譜 212
4.2.7 π共價效應(yīng) 213
4.2.8 NiIII離子隨不同配位而變的d軌道能級分裂 215
4.2.9 單晶譜和粉末譜，gij的規(guī)范標識和含義 216
4.3 低自旋體系的超精細耦合各向異性 220
4.3.1 孤立原子的超精細結(jié)構(gòu)和零場EPR 220
4.3.2 S=1/2低自旋體系超精細相互作用的各向異性 222
4.3.3 A各向異性而g各向同性或各向異性的特征譜圖 224
4.3.4 磁性核配體的有規(guī)取向，核間距離探測 227
4.3.5 A的二階效應(yīng)，正負號，額外吸收峰 229
4.3.6 分子翻轉(zhuǎn)運動對各向異性譜型的影響 232
4.4 高自旋(S 1)體系 235
4.4.1 低場近似的S=3/2的高自旋體系 238
4.4.2 低場近似的S=5/2高自旋體系 241
4.4.3 低場近似的S=1,2,3,4,···高自旋體系 246
4.4.4 低場近似下簡單判斷自旋量子數(shù)S的方法 250
4.4.5 高場近似的S=1,2,3,···體系 251
4.4.6 高自旋體系的躍遷概率 253
4.4.7 高場近似時D值正與負的判斷 254
4.4.8 三重態(tài)基態(tài)的有機自由基 255
4.4.9 核電四極矩 257
4.5 交換作用和磁性物理 259
4.5.1 氫分子 261
4.5.2 原子間力，交換作用 262
4.5.3 含n個未配對電子的交換作用 264
4.5.4 交換耦合的雙核中心 267
4.5.5 三核和三核以上的交換耦合結(jié)構(gòu) 272
4.5.6 有機自由基與過渡離子的弱交換耦合，裂分EPR信號 273
4.5.7 自由基淬滅和自旋中心轉(zhuǎn)移 276
4.6 三重態(tài)和雙自由基 278
4.6.1 光激發(fā)而成的三重態(tài)，自旋極化 278
4.6.2 雙自由基，交換變窄，交換展寬，高濃度樣品 281
4.7 氣相原子和分子的EPR 291
4.7.1 氣相單原子 291
4.7.2 雙原子分子和線性多原子分子 293
4.7.3 2Π的雙原子分子或自由基 295
參考文獻 300
第5章 脈沖EPR 310
5.1 理論基礎(chǔ) 311
5.1.1 右旋和左旋進動 311
5.1.2 旋轉(zhuǎn)坐標系 312
5.1.3 單脈沖，正交檢測 314
5.1.4 弛豫，布洛赫方程，自由感應(yīng)衰減 315
5.1.5 Baker-Hausdorff公式，泊松括號 317
5.1.6 自旋翻轉(zhuǎn)不對易，密度算符，泡利矩陣 319
5.2 單脈沖實驗 321
5.2.1 縱向和橫向弛豫時間 322
5.2.2 FID檢測 324
5.2.3 均勻和非均勻展寬 325
5.2.4 單脈沖實驗 327
5.3 自由演化 328
5.3.1 自旋哈密頓量，希爾伯特空間 329
5.3.2 單自旋和系綜，純態(tài)和混態(tài)，相干疊加 329
5.3.3 各向同性的電子-核雙自旋耦合系統(tǒng)，同相，反相 332
5.3.4 各向異性的電子-核雙自旋耦合系統(tǒng) 339
5.3.5 熱平衡態(tài)，非平衡態(tài)，動態(tài)極化 342
5.3.6 數(shù)據(jù)分析 344
5.4 多脈沖序列及主要應(yīng)用 346
5.4.1 原初回波 347
5.4.2 T1對回波的影響，兩脈沖序列的應(yīng)用 349
5.4.3 多脈沖組合中的回波，受激回波，盲點，相循環(huán) 350
5.4.4 電子自旋回波包絡(luò)調(diào)制，盲點現(xiàn)象 352
5.4.5 電子-核雙、三共振，超精細增益 361
5.4.6 電子-電子雙共振，自旋標記和距離探測 366
5.4.7 與光激發(fā)相結(jié)合的脈沖EPR，瞬態(tài)EPR，拉比振蕩 368
5.4.8 自旋弛豫 371
參考文獻 374
第6章 EPR范例(一) 379
6.1 s區(qū)原子 379
6.1.1 氫原子 380
6.1.2 堿金屬原子 380
6.1.3 堿土金屬+1價離子 381
6.1.4 銅族原子 381
6.1.5 鋅族+1價離子 381
6.1.6 硼族+2價離子 383
6.1.7 碳族+3價離子 383
6.1.8 氮族+4價離子 384
6.2 p區(qū)元素和輻射化學研究 385
6.2.1 p區(qū)原子和自由基 385
6.2.2 輻射化學研究 386
6.3 f區(qū)元素 388
6.3.1 fn組態(tài)的結(jié)構(gòu)特征 389
6.3.2 弱晶體場中的自旋哈密頓量 391
6.3.3 克拉默斯二重態(tài)離子 397
6.3.4 非克拉默斯二重態(tài)離子 405
6.3.5 4f7的S基態(tài)離子 406
6.3.6 稀土離子的摻雜和替代 409
參考文獻 410
第7章 EPR范例(二) 415
7.1 d區(qū)元素 415
7.1.1 過渡離子的高、中、低自旋態(tài) 417
7.1.2 兩種不同低自旋的Fe5+配合物 418
7.1.3 第四和五周期過渡元素的自旋-軌道耦合常數(shù) 423
7.1.4 單核過渡離子的自旋哈密頓量 423
7.2 單核中心 425
7.2.1 低自旋的ndq組態(tài)(q=1、3、5、7、9) 426
7.2.2 q=3、5、7的高自旋ndq組態(tài) 431
7.2.3 q=2、4、6、8的高自旋ndq組態(tài) 432
7.2.4 +3、+4、+5的錳離子，平行和垂直模式EPR 433
7.2.5 含血紅素的金屬蛋白和金屬酶 434
7.3 金屬團簇 438
7.4 傳導電子自旋共振，摻雜和缺陷 441
7.4.1 固體的能帶 441
7.4.2 第IVA族硅和鍺的摻雜 444
7.4.3 III-V化合物的摻雜 449
7.4.4 傳導電子自旋共振，Dysonian譜型 450
7.4.5 傳導電子自旋共振的應(yīng)用 451
7.4.6 固體缺陷 453
7.4.7 金屬氧化物的點缺陷化學 456
7.4.8 點缺陷的締合和色心 461
參考文獻 463
第8章 生物中的電子過程 470
8.1 生物電子傳遞，輔酶和維生素 471
8.1.1 生物電子傳遞和自由基傳遞，能量轉(zhuǎn)換 472
8.1.2 輔酶和輔基 474
8.1.3 維生素，生物體內(nèi)的氧還平衡 478
8.2 金屬蛋白和金屬酶 481
8.2.1 含鐵的金屬蛋白 483
8.2.2 含銅的金屬蛋白 498
8.2.3 含錳的金屬蛋白 514
8.2.4 含鎳、鈷的金屬蛋白 520
8.2.5 含鉬、鎢的金屬蛋白 535
8.2.6 含釩、鋅的金屬蛋白 540
8.2.7 過渡離子與配體的有規(guī)取向 541
8.3 放氧光合電子傳遞 543
8.3.1 光合或原初電子傳遞鏈，光合磷酸化 544
8.3.2 光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I的基本結(jié)構(gòu) 546
8.3.3 光系統(tǒng)II的原初電子傳遞 549
8.3.4 細胞色素b6f，環(huán)式和非環(huán)式電子傳遞鏈 568
8.3.5 質(zhì)藍素和細胞色su c6 571
8.3.6 PSI、Fd、FNR的電子傳遞，NADP+還原 572
8.3.7 跨膜質(zhì)子動力勢，ATP合酶，Rubisco，CO2固定 576
8.3.8 類囊體膜的側(cè)向異質(zhì)性，光合調(diào)控 579
8.4 線粒體呼吸鏈 581
8.4.1 呼吸作用，糖酵解，底物水平磷酸化 581
8.4.2 呼吸電子傳遞鏈，氧化磷酸化 583
參考文獻 599
附表1 部分基本物理量和數(shù)學常數(shù)的名稱、符號和值 632
附表2 磁性同位素，按核自旋量子數(shù)I由小到大排列 633
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，與學員們進行針對性的研討交流。請有意參加研討班的學員仔細研讀本書！
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