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电子自旋共振(ESR) ——基本原理及其应用 李越 中科院地球环境所 电子自旋共振 （Electron Spin Resonance ，简称 ESR ）也称电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance ，简称EPR ），是检测和研究含有未成对 电子的顺磁性物质的一种波谱学技术。 电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质， 如具有奇数个电子的原子、分子以及内电子壳层未 被充满的离子，受辐射作用产生的自由基及半导体、 金属等。 通过对共振谱线的研究，可以获得有关分子、原子 及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息， 从而得到有关物质结构和化学键的信息，因此电子 自旋共振最早主要应用于物理学、化学、生物学等 领域。 ESR测年技术的发展历程及重要意义 ESR测年基本原理 ESR在其他方面的应用 ESR测年技术的发展历程 1944年，电子顺磁共振首先是由前苏联物理学家 E·K·扎沃伊斯基从MnCl 、CuCl 等顺磁性盐类发现 2 2 的。 1961 年，Duchensne 等首次报道了利用ESR 方法测 定碳质岩层年龄的结果。 1967 年，Zeller 等利用ESR 方法测量了大约20 种 矿物，并提出这种方法可以作为一种测年方法应用 于地质学研究。 McMorris (1969, 1970, 1971)进一步研究了用ESR 方 法测定天然化石和石英的可能性。 ESR测年技术的发展历程 但是，由于所有研究结果都缺乏明确的地质意义，因此 未能使该方法得到广泛的发展和应用。 直到 1975 年，Ikeya （中文译为：池谷元伺） 在Nature上发表了对日 本 Aliyoshi 洞（秋芳 洞）次生碳酸盐进行的 ESR 测年结果，这是 ESR 测年的首次应用成 功范例，也是首次被用 Aliyoshi 于地球科学。 随后，这种方法才逐步地应用于地质学、地貌学以及考 古学等各个领域中不同材料的年代测定。在80年代取得 了迅速的发展。 ESR测年特点 1）可用于ESR 测年的物质较为广泛， 所研究的样品大致分为两类：一类是 碳酸盐，另一类是石英； 3 6 2 ）测年范围宽，可达10 ~ 10 年，基 本覆盖了整个第四纪地质年代范围； 3 ）ESR 方法是一种非破坏性分析方 法，样品可以反复测量，并且用量少； 4 ）制样简单，便于批量测试； 5 ）ESR 测量信号稳定，受周围环境 影响较小。 ESR常用的测试物质 ESR 常用的测试物质有第四纪贝壳、珊瑚, 有孔虫, 动物和人类的骨骼、 牙齿, 土壤中的石英与长石颗粒, 石灰岩卡斯特溶洞中的钟乳石、石笋、 泉华, 火山岩中的斜长石、锆石等。 ESR测年的意义 目前，对于距今20万年以来的沉积 14 物，主要是采用 C和释光测年法； 对于老于20万年的沉积物，主要采 用ESR和宇宙成因核素法来获取其 埋藏年龄。 ESR测定结果对第四纪古生物和人 类的发展历史年代、第四纪地层划 分和对比、古海面的升降过程、大 型工程的地基稳定性评估、火山和 地震活动的预测以及第四纪