Парамагнитным называются вещества, молекулы которого имеют отличный от нуля магнитный момент. При отсутствие внешнего магнитного поля суммарный магнитный момент парамагнетика равен нулю. Когда образец помещают в магнитное поле – магнитные моменты ориентируются по направлению внешнего поля и происходит его намагничивание.

Явление электронного парамагнитного резонанса было открыто в 1944 году Евгением Константиновичем Завойским. Упрощенная схема установки Е.К. Завойского, на которой он впервые в мире получил сигнал электронного парамагнитного резонанса, представлена на рис. 1. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) – метод, основанный на явлении резонансного поглощения электромагнитного излучения парамагнитным веществом, помещенным в постоянное магнитное поле, и обусловленное квантовыми переходами между энергетическими подуровнями, связанными с наличием магнитного момента у электронных систем. Образец для исследования методом ЭПР может быть в твердом (например, d- и f-элементы), жидком или газообразном (например, O₂, NO) состояниях.

Условиями наблюдения этого эффекта является определенное соотношении между напряженностью постоянного магнитного поля и частотой переменного. Наблюдать резонансное поглощение можно двумя путями: менять частоту излучения при постоянном внешнем поле или изменять индукцию внешнего поля при постоянной частоте электромагнитного излучения. На практике реализуется второй путь, как технически более простой.

При включении внешнего магнитного поля в образце происходит расщепление уровня энергии на подуровни (рис. 2).

Если энергия электромагнитного излучения, действующая во внешнем магнитном поле, равна разности энергий между соседними уровнями, то будут возникать переходы между этими уровнями. Переход с нижнего уровня на верхний сопровождается поглощением энергии, а с верхнего на нижний – излучением. Отношение заселенности уровня к можно найти по формуле:

где k – постоянная Больцмана (1,38 ∙10^-23Дж/К), T – температура, ΔE – разность энергий между уровнями. Эта разность определяется соотношением
где g (же-фактор) – безразмерная величина гиромагнитного отношения, определяющая вклад орбитального и собственного механического моментов, μ_B – магнетон Бора (единица измерения магнитного момента, которую используют при изучении магнитных свойств атомов и атомных ядер), B – индукция внешнего магнитного поля. Уравнение (2) является условием резонансного поглощения.

Заселенность нижнего уровня больше, чем верхнего, следовательно, с течением времени число переходов снизу вверх будет уменьшаться, а сверху вниз – увеличиваться, пока число испускаемых квантов не станет равно числу поглощаемых квантов и поглощение энергии должно перестать наблюдаться. Но этого не происходит, так как парамагнитные частицы могут обмениваться энергией друг с другом и взаимодействовать с окружающими атомами (в виде тепла отдают энергию и возвращаются на нижний уровень). Поэтому заселенность нижнего уровня всегда остается больше заселенности верхнего, а значит поглощение энергии будет превышать ее излучение.

Наблюдая за сигналами ЭПР биологических объектов, можно непосредственно следить за ходом внутриклеточных процессов в листьях растений, тканях и клетках животных, в бактериях. Также метод ЭПР можно использовать для:
• • обнаружения парамагнитных частиц и определения их концентрации. Патологические изменения тканей приводят к изменениям сигналов ЭПР, что связано с распадом парамагнитных комплексов металлов, изменением окружения парамагнитных ионов в другие комплексы;
  
• • проводить идентификацию радикалов и определять их строение. Изменение количества свободных радикалов при различных патологических состояниях, например, при онкогенезе, развитии лучевых повреждений, токсикозе (интоксикация);
  
• • исследовать распределение электронной плотности между ядрами атомов в молекуле;
  
• • исследовать распределение электронной плотности атомов в молекуле;
  
• • получать кинетические и термодинамические характеристики многих реакций и т.д.