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    電子自旋共振——ESR測年技術

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    瀏覽:- 發布日期:2018-06-06 10:38:03【

    [文章導讀] 電子自旋共振研究的對象是具有未偶電子的物質,如具有奇數個電子的原子、分子以及內電子殼層未被充滿的離子,

    電子自旋共振(點擊了解詳情)Electron Spin Resonance,簡稱ESR)也稱電子順磁共振(Electron Paramagnetic Resonance,簡稱EPR),是檢測和研究含有未成對電子的順磁性物質的一種波譜學技術。

    電子自旋共振研究的對象是具有未偶電子的物質,如具有奇數個電子的原子、分子以及內電子殼層未被充滿的離子,受輻射作用產生的自由基及半導體、金屬等。電子自旋共振通過對共振譜線的研究,可以獲得有關分子、原子及離子中未偶電子的狀態及其周圍環境方面的信息,從而得到有關物質結構和化學鍵的信息,因此電子自旋共振最早主要應用于物理學、化學、生物學等領域。


    電子自旋共振

    1944年,電子自旋共振首先是由前蘇聯物理學家扎沃伊斯基從MnCl2、CuCl2等順磁性鹽類中發現的。1961年,Duchensne等首次報道了利用ESR方法測定碳質巖層年齡的結果。1967年,Zeller等利用ESR方法測量了大約20種礦物,并提出這種方法可以作為一種測年方法應用于地質學研究。McMorris進一步研究了用電子自旋共振ESR方法測定天然化石和石英的可能性。但是,由于所有研究結果都缺乏明確的地質意義,因此未能使該方法得到廣泛的發展和應用。直到1975年,IkeyaNature上發表了對日本Aliyoshi洞次生碳酸鹽進行的ESR測年結果,這是電子自旋共振ESR測年的首次應用成功范例,也是首次被用于地球科學。隨后,這種方法才逐步地應用于地質學、地貌學以及考古學等各個領域中不同材料的年代測定。在80年代取得了迅速的發展。


    電子自旋共振波譜儀

    電子自旋共振ESR測年的基本原理在于利用ESR方法直接測定樣品的信號強度,該強度表征了樣品在自然環境中由于電離輻射損傷所產生的順磁中心的數目。由于順磁中心的數目正比于輻射場的強度(即年劑量D)和輻照的時間(即樣品的年齡A),亦即正比于樣品所接受的天然輻射總劑量(即古劑量P,亦稱累積劑量AD、總劑量TD、等效劑量ED),因此電子自旋共振只要測定了樣品的ESR信號強度,就可以確定樣品的古劑量。然后根據樣品所處環境的平均年劑量,可進一步確定樣品的地質年齡。

    電子自旋共振ESR常用的測試物質有第四紀貝殼、珊瑚,有孔蟲,動物和人類的骨骼、牙齒,土壤中的石英與長石顆粒,石灰巖卡斯特溶洞中的鐘乳石、石筍、泉華,火山巖中的斜長石、鋯石等,適用范圍比較廣泛;電子自旋共振ESR測年范圍寬,可達103~106年,基本覆蓋了整個第四紀地質年代范圍;電子自旋共振ESR方法是一種非破壞性分析方法,樣品可以反復測量,并且用量少;制樣簡單,便于批量測試;電子自旋共振ESR測量信號穩定,受周圍環境影響較小。

    目前,對于距今20萬年以來的沉積物,主要是采用14C和釋光測年法;對于老于20萬年的沉積物,主要采用電子自旋共振ESR和宇宙成因核素法來獲取其埋藏年齡。ESR測定結果對第四紀古生物和人類的發展歷史年代、第四紀地層劃分和對比、古海面的升降過程、大型工程的地基穩定性評估、火山和地震活動的預測以及第四紀環境變遷的研究均具有重要的意義。

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