Два неспарених електрона, що обумовлюють тріплетное стан в органічній молекулі, можна розглядати як електрони, що володіють тільки спіновим кутовим моментом; отже, їх моменти складаються за правилами дій над векторами і повне спіновий квантове число S = 1. В маг-нітних поле цей сумарний кутовий момент (і, отже, магнітний момент) буде орієнтуватися як єдине ціле, причому існують лише три можливі його орієнтації: ме = +1, 0 або -1.
Якщо на ці два неспарених електрона не діє елек-тричних поле, то під час відсутності зовнішнього магнітного поля всі три орієнтації повного спина будуть характеризуватися рівними енергіями. При накладенні магнітного поля відбудеться расще-полонених енергетичних рівнів. З фіг. 4 видно, що енергія.
Відповідна нульовий компоненті спина вздовж напрямку солячи, як і слід було очікувати, не зміниться, тоді як енергія двох інших зміниться таким чином, що величина розщеплення буде вдвічі більше, ніж в разі тільки одного неспареного електрона (фіг. 2). Електромагнітне випромінювання з частотою, що відповідає різниці між енергетичними рівнями +1 і 0 або 0 і -1, буде поглинатися в цьому випадку точно так же, як і в випадку, розглянутому вище. Дійсно, з фіг. 4 ясно, що трива обох дозволених переходів (0 - »- + 1 і -1 -> - 0)
Фцг. 4. Розщеплення енергетичних рівнів-ній для випадку двох неспарених елект-нейронів при S - 1 під час відсутності внутрішніх полів.
Умова резонансу має місце при одному і тому ж значенні поля, так що, хоча в дійсності відбуваються два переходи, спостерігається тільки одна лінія поглинання. У всіх цих випадках кван-товое число, згідно пра-вилу відбору, може вимірюв-няться лише на одиницю і, отже, з точ7 ністю до членів першого порядку зміну ДМА = ± 2, яке викликало б перехід між крайніми рівнями при половинному
Значенні напруженості поля, не дозволено. Тому в цих умовах розщеплення лінії поглинання не відбувається.
Насправді, однак, неспарені електрони ніколи не знаходяться в нульовому електричному полі: і в кристалі, і в аморфному речовині завжди існують дуже сильні внутрен-ня електричні поля, що діють на енергетичні рівні електронів і розщеплюють їх на дві групи (так званий ефект Штарка; фот. 5, А, зліва). Існує загальна теорема, в якій мовиться, що електричне поле з осьової симетрією може розщепити тільки рівні з різними квантовими числами (але не з однаковими квантовими числами різного знака). Таким чином, при наявності молекулярного електричного поля рівні з квантовими числами Ms- ± 1 виродилися, але відділені від рів-ній з квантовим числом Ms - 0. Якщо на такий зразок подати електромагнітне випромінювання з частотою v, то для кожного з двох розглянутих переходів поглинання , природно, буде відбуватися при різних значеннях зовнішнього магнітного поля. Ці два переходи зажадають тепер різних значень поля для забезпечення необхідної різниці енергії (фіг. 5, А, праворуч); в результаті вийдуть дві лінії поглинання, чітко отделен-
uue одна від одної. Такого роду розщеплення називається електрон-тронним, так як воно виникає в результаті взаємодії між неспареними електронами, що містяться в атомі або молекулі. Різниця значень магнітного поля, при яких спостерігається поглинання, може служити прямою мірою расстоя-ня між підрівнями, що виникли під впливом внутрішнього електричного поля. Тому вимір електронного розщеплюючи-ня може дати дуже корисну інформацію про внутрімолекуляр-них взаємодіях.
Квантові числа при високій напруженості поля
Фіг. 5. Електронне розщеплення. '1.1-виникнення двох ліній поглинання в результаті розщеплення в нульовому полі; З - розбіжність енергетичних урогней в разі, коли вісь квантування неопреде-Ленна (прикладена магнітне поле перпендикулярно внутрішньому електричному
Слід зауважити, що до цих пір в це. лях ясності накладення ми описували розщеплення енергетичних рівнів дещо спрощено. Кілька більш ретельний розгляд з відлітаючи ефектів другого порядку, що грають особливо важливу роль в слабких полях, дає картину, зображену на фіг. 5, Б для випадку, коли прикладена магнітне иоле перпендикулярно напрямку внутрішнього електричного поля. В цьому випадку енергетичні рівні не перетинаються, а зливаються один з дру-гим, але при високих значеннях напруженості виходить той же результат, що і при спрощеному описі (фіг. 5, А). Ці пи-си ми обговоримо більш детально в одному з наступних розділів, де буде розглядатися розщеплення в нульовому магнітному полі стосовно біологічних речовин.
Описаний вище характер розщеплення енергетичних рівнів-ній пояснюється конкуренцією між внутрішнім електричним і зовнішнім магнітним полями, у тому числі перше служить віссю
квантування при низьких напряженностях магнітного поля, а вто-рої - при високих. Ця конкуренція обумовлює також замет-ні зміни спектра в залежності від кута між зовнішнім і внутрішнім полями. Іншими словами, яка вимірюється величина електронного розщеплення залежить від відносної Орієнтир-ції зовнішнього магнітного поля (фот. 6). При вивченні моно-кристала можна дуже легко виміряти це зміна в електрон-ном розщепленні і, накресливши його залежність від кута між
Фіг. 6. Кутові зміни в спектрі ЕПР для триплетного состояніяS = 1.
А - розщеплення енергетичних рівнів в нульовому полі для двох різних кутів: Ai - Для кута 0i; Д2 - для кута 62; Б - результуючі лінії поглинання; В - Що огинає всіх ліній поглинання, що виникають в умовах, коли 6 приймає всі значення від 0 до п. Е результаті виходить слабкий «розмазаний» сигнал.
Магнітним полем і кристалічної віссю, отримати важливу інформацію про симетрії і величиною внутрішнього молекулярного поля. Якщо, проте, досліджуваний об'єкт знаходиться в рідкому або аморфному стані, то вдається спостерігати лише усереднене електронне розщеплення і лінія поглинання «розмазується» (фіг.в, В), а іноді навіть і зовсім не піддається виявленню. При вивченні ЕПР в рідких або аморфних речовинах «размази-вання» поглинання, обумовлене цією причиною, спостерігається досить часто, і тому завжди слід дотримуватися обережності, інтерпретуючи негативні результати. Так, спочатку ЕПР i '| iіI [льотних збуджених станів вдавалося спостерігати тільки # 9632; # 9632; (• і дослідженні монокристалів, але в більш пізніх роботах Гм. Ію показано, що ці стани можна зареєструвати п і розчинах.
Описані в цьому розділі дослідження знаходяться ще на самій початковій, попередній стадії, і про велику кількість можливостей використання в біології таких методів, як ДЕЯР і спин - мітка, ми ще, звичайно, ...
У розд. 7.1 вже згадувалося про те, що метод спін-міток був спеціально розроблений для досліджень біологічних молекул. Цим він відрізняється від усіх інших методів ЕПР-спектроскопії, які були розроблені раніше і ...
Питання про те, яким чином прінцгп і. техніку методу ДЕЯР, ', описані в розд. 3.8 і. 3.9, можна прикласти до дослідження біохімічних систем, найкраще, мабуть, розглянути на прикладі експериментів з ...