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1. 전자 스핀 공명
1.1. 입자의 스핀과 자기 모멘트
입자의 스핀과 자기 모멘트는 물리학의 중요한 개념 중 하나이다. 전하를 가진 입자가 회전을 하면 자기 모멘트가 생기게 되는데, 이는 전자가 다른 종류의 각운동량을 가지고 있음을 시사한다. 이러한 각운동량을 스핀이라고 부른다. 전자는 스핀 1/2을 가지고 있으며, 이에 따라 자기 모멘트도 발생하게 된다.
스핀에 의한 자기 모멘트는 자기장에 대해 다양한 방향을 가질 수 있고, 이에 따라 에너지 준위가 분리된다. 이를 제이만 효과라고 한다. 자기장 속에서 전자는 자신의 스핀 방향에 따라 업 스핀과 다운 스핀 상태를 가지게 되며, 이 두 상태 간의 에너지 차이가 발생한다. 이러한 에너지 차이에 해당하는 전자기파를 흡수하거나 방출하면서 전자가 전이하는 현상이 전자 스핀 공명이다.
전자 스핀 공명 실험에서는 이러한 제이만 효과를 이용하여 자기장에 의해 분리된 전자의 스핀 상태 간 에너지 차이를 측정함으로써 기본 입자인 전자의 고유한 성질인 g-인자를 구할 수 있다. g-인자는 전자의 자기 모멘트와 각운동량 사이의 비율을 나타내는 값으로, 디락 방정식에 의하면 이론적으로 g=2가 되지만, 양자전기역학적 보정을 거치면 g=2.002로 더 정밀한 값을 얻을 수 있다.
1.2. 제이만 효과와 전자 스핀 공명
제이만 효과는 외부 자기장에 의해 원자나 분자의 방출 스펙트럼 선이 여러 개의 선으로 갈라지는 현상이다. 자기장이 있는 경우 자기장은 양자수에 따라 각각의 전자에 영향을 다르게 미치게 된다.
전자의 스핀은 자기쌍극자 모멘트를 형성하고, 이 자기쌍극자 모멘트가 자기장과 상호작용하면서 위치에너지를 발생시킨다. 이로 인해 전자들이 다른 에너지 준위를 갖게 되는 것이 제이만 효과의 원리이다. 제이만 효과에 의해 갈라진 스펙트럼 사이의 거리는 자기장의 세기에 비례하므로, 태양과 같은 별의 자기장을 측정하는 데에 이용되기도 한다.
제이만 효과에는 크게 두 가지 종류가 있다. 첫째는 정상 제이만 효과로, 전자 스핀의 합이 0일 때 나타나며 스핀의 개념이 없어도 설명이 가능하다. 둘째는 비정상 제이만 효과로, 전자의 스핀이 0이 아닐 때 나타나는 경우이다. 제이만 효과 발견 당시에는 이것을 설명할 수 없어 비정상 제이만 효과라고 불렀다.
전자 스핀 공명(Electron Spin Resonance, ESR)은 제이만 효과에 의해 나뉘어진 에너지 준위 사이의 전이를 관측하는 것이다. 외부 자기장에 의해 제이만 효과가 나타나 생긴 두 에너지 준위의 차이와, 전자기파의 에너지가 같으면 공명이 일어나게 된다. 이때 전자기파의 주파수와 외부 자기장에 대한 그래프의 기울기가 바로 g-인자이다.
전자 스핀 공명은 짝을 이루지 않은 전자를 가지고 있는 자유 라디칼을 검출하는 데 적합하다. 그중에서도 DPPH 물질은 분자 구조가...
