石河子大学：《综合物理实验》课程实验讲义（近代物理实验）电子顺磁共振.pdf_大学文库

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义电子自旋共振电子顺磁共振又称电子自旋共振。由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振：因为分子和周体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。【实验目的】 (1)熟悉电子自旋共振原理和仪器使用。 (2)观察电子自旋共振现象。 (3)测量g因子及其共振线宽。【实验原理】原子的磁性来源于原子磁距。由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的磁距由原子中各电子的轨道磁矩和自旋破矩所决定。原子的总磁矩山与P,总角动最之间满足以下关系： 4=-g4,/h=yR 式中为玻尔磁子，为约化普朗克常量。由上式得知：回磁比r=一g4/h 按照量子理论，电子的L一S耦合结果，朗德 g=1+[J0+1)+S(S+1L(L+1)]/2J0+1) 3 由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献(L=0,J=S),则g-2。反之，若磁距完全由电子的轨道磁矩所贡献(S=0,J=L),则g=1。若自旋和轨道磁矩两者都有贡献，则g 的值介乎1和2之间。因此，精确测定g的数值便可判断电子运动的影响，从而有助于了解原子的结构。在外磁场B0中，电子自旋磁矩与B相互作用，产生能级分裂，其能量差为 AE=8HgBo (3) 其中g为自由电子的朗德因子，g=2.0023. 在与B垂直的平面内加一频率为的微波磁场B1,当满足 f=长-8融 (4) 时，处于低能级的电子就要吸收微波磁场的能量，在相邻能级间发生共振跃迁，即顺磁共振。在热平衡时，上下能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布是 (5) 1

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义电子自旋共振电子顺磁共振又称电子自旋共振。由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。【实验目的】 (1)熟悉电子自旋共振原理和仪器使用。 (2)观察电子自旋共振现象。 (3)测量 g 因子及其共振线宽。【实验原理】 1 g P / P 原子的磁性来源于原子磁距。由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的磁距由原子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。原子的总磁矩µJ与PJ，总角动量之间满足以下关系： µJ B µ J J = − h = γ B r g / (1) 式中µB为玻尔磁子，ħ为约化普朗克常量。由上式得知：回磁比 = − µ h 按照量子理论，电子的 L－S 耦合结果，朗德 g =1+[J(J+1)+S(S+1)-L(L+1)]/2J(J+1) (2) 由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献（L＝0，J＝S），则g=2。反之，若磁距完全由电子的轨道磁矩所贡献（S＝0，J＝L)，则g＝1。若自旋和轨道磁矩两者都有贡献，则g 的值介乎 1 和 2 之间。因此，精确测定g的数值便可判断电子运动的影响，从而有助于了解原子的结构。在外磁场B0中，电子自旋磁矩与B0相互作用，产生能级分裂，其能量差为 ∆E = gµ B B0 （3）其中 g 为自由电子的朗德因子，g=2.0023。在与B0垂直的平面内加一频率为f的微波磁场B1，当满足 h g B h E f µ B 0 = ∆ = （4）时，处于低能级的电子就要吸收微波磁场的能量，在相邻能级间发生共振跃迁，即顺磁共振。在热平衡时，上下能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布 E KT e N N −∆ = 1 2 （5）

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义由于磁能级间距很小，△EO,因此N<N,即上能级上的粒子数应稍低于下能级的粒子数。由此可知，外磁场越强，射频或微波场频率越高，温度越低，则粒子差数越大。因为微波波段的频率比射频波波段高得多，所以微波顺磁共振的信号强度比较高。此外，微波谐振腔具有较高的Q值，因此微波顺破共振有较高的分辨率。微波顺磁共振有通过法和反射法。反射法是利用样品所在谐振腔对于入射波的反射状况随者共振的发生而变化，因此，观察反射波的强度变化就可以得到共振信号。反射法利用微波器件魔 T来平衡微波源的噪声，所以有较高的灵敏度。与核磁共振等实验类似，为了观察共振信号，通常采用调场法，既在直流磁场B上迭加一个交变调场B.cos@t,这样样品上的外磁场为B=B。+B.cos@t。当磁场扫过共振点，满足新 (7) 时，发生共振，改变谐振腔的输出功率或反射状况，通过示波器显示共振信号。从共振条件看，共振吸收谱线应该是单色的，谱线线宽似乎应该是无限窄的。当然这是和实验结果不符合的。实际上，谱线只能是有限宽度，且对不同的样品也有很大的差别，其基本原因有两方面：其一是由于“自旋一品格相互作用”，使自旋不能静止地固定在某一个能级上，而是不停地跃迁在两能级间，这是一个动态平衡。因此电子停留在一个能级上的寿命只能是有限值，由测不准关系知，能级也不能无限窄。其二是样品中不能只有一个小磁体（未成对电子、磁性核等)，因此存在“自旋一自旋相互作用”。每个小磁体除处在外磁场B中，还处在其他小磁体所形成的局部磁场中，所以真正的共振磁场是外磁场和局部磁场的矢量和。由于微波频率一定，共振磁场也一定，但局部磁场有一个分布，因此共振磁场也是一个变量。也就是说，可以满足共振条件的外磁场不是一个值，而是在以局部磁场为中心的某一个小范围内有一个分布。此外，还有一些因素也能使共振谱线的线宽、超精细结构、谱线位置发生显著变化。因此通过对谱线形状的研究，可获得有关样品运动规律的信息。本实验的样品为DPpH(Di-Phehcryl Picryl Hydrazal) 化学名称是二苯基苦氨酸联氨，其分子结构式为(CH52N-NC。H(NO2b,如图1所示。它的第二个氨原子上存在一个未成对的电子，构成有机自由基，实验观测的就是这类电子的磁共振观象

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义由于磁能级间距很小， ∆E 0 ，因此N2<N1，即上能级上的粒子数应稍低于下能级的粒子数。由此可知，外磁场越强，射频或微波场频率f越高，温度越低，则粒子差数越大。因为微波波段的频率比射频波波段高得多，所以微波顺磁共振的信号强度比较高。此外，微波谐振腔具有较高的Q值，因此微波顺磁共振有较高的分辨率。微波顺磁共振有通过法和反射法。反射法是利用样品所在谐振腔对于入射波的反射状况随着共振的发生而变化，因此，观察反射波的强度变化就可以得到共振信号。反射法利用微波器件魔 T 来平衡微波源的噪声，所以有较高的灵敏度。与核磁共振等实验类似，为了观察共振信号，通常采用调场法，既在直流磁场BD上迭加一个交变调场 BA cosωt ，这样样品上的外磁场为 B = BD A + B cosωt 。当磁场扫过共振点，满足 g B h f B µ = （7）时，发生共振，改变谐振腔的输出功率或反射状况，通过示波器显示共振信号。从共振条件看，共振吸收谱线应该是单色的，谱线线宽似乎应该是无限窄的。当然这是和实验结果不符合的。实际上，谱线只能是有限宽度，且对不同的样品也有很大的差别，其基本原因有两方面：其一是由于“自旋－晶格相互作用”，使自旋不能静止地固定在某一个能级上，而是不停地跃迁在两能级间，这是一个动态平衡。因此电子停留在一个能级上的寿命只能是有限值，由测不准关系知，能级也不能无限窄。其二是样品中不能只有一个小磁体（未成对电子、磁性核等），因此存在“自旋－自旋相互作用”。每个小磁体除处在外磁场B中，还处在其他小磁体所形成的局部磁场中，所以真正的共振磁场是外磁场和局部磁场的矢量和。由于微波频率一定，共振磁场也一定，但局部磁场有一个分布，因此共振磁场也是一个变量。也就是说，可以满足共振条件的外磁场不是一个值，而是在以局部磁场为中心的某一个小范围内有一个分布。此外，还有一些因素也能使共振谱线的线宽、超精细结构、谱线位置发生显著变化。因此通过对谱线形状的研究，可获得有关样品运动规律的信息。本实验的样品为DPPH（Di-Phehcryl Picryl Hydrazal）, 化学名称是二苯基苦氨酸联氨，其分子结构式为(C6H5)2N-NC6H2(NO2)3，如图 1 所示。它的第二个氨原子上存在一个未成对的电子，构成有机自由基，实验观测的就是这类电子的磁共振观象。 2

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义以后的调节中保持调节螺丝和短路活塞位置不变。 (4)调节端路活塞，再使直流(DC)信号输出最小，如果直流信号输出最小还没出现过信号是因为线图的电流方向接反，只需将接线方向对调即可。 (5)将示波器的输入通道打在交流(AC)档上，调节适当的扫场强度（幅度为大概为5mV档），缓慢地改变电磁场的励磁电流，搜索SR信号。当磁场满足共振条件时，可观察到共振信号。 (6)这时在示波器就可以观察到共振信号，但此时的信号不一定为最强，可以再小范围的调节短路活塞与检波器，也可以调节样品在磁场中的位置（样品在破场中心处为最佳状态），使信号达到一个最佳的状态。 ()信号调出以后，关机，将阻抗匹配器接在环型器中的()端与扭波导中间，开机，通过调节阻抗匹配器上的旋钮，就可以观察到吸收或色散波形 (⑧)测量磁共振对应的微波频率和磁场，求得朗得因子g测量多组数据并进行数据分析和说明实验误差)。 4.ESR信号的观测 (I)测定DPHH中电子的朗德g因子，观察共振现象。 1)将励磁电源电压调到0，打开励磁电源，打开扫场电源。调整示波器为XY工作方式，两通道都置“AC”档，X灵敏度置1 DmV/DIV,Y灵敏度置1V/DIV,开示波器。 2)可变衰减器下调，仔细调整励磁电流，使示波器显示共振峰，调整调配器，使共振蜂如图(5)所示。在此过程中，需要调整示波器和可变衰减器，使示波器能够清晰显示共振蜂。可变衰减器不要调的过小，一般不低于30，以保护检波器。 3)调整扫场电源的相位，使两共振峰重合。调整励磁电流使共振峰居中。用特斯拉计测量磁场。 4移动样品位置，测出各共振信号出现的位置2，2。 5)改变谐振腔腔长，重复以上步骤，得到另外几数据 (2)测量共振峰宽调节均匀磁场线圈电流，即改变恒磁场B为B1,使共振峰处在扫描线的一端x的位置，在改变B为B2,使共振蜂处在扫描线的另一端x位置（注意保持x、x位置同处于扫描线的1/4周期内），最后改变B1,使共振峰处在扫描线中央（图6），在示波器上测出共振峰半宽△×，则共振谱线半宽为B=(B2-B)△x/(x3-x) 图(5)共振吸收峰图(6)示波器上的共振峰半宽△x示意图

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义以后的调节中保持调节螺丝和短路活塞位置不变。 (4)调节端路活塞，再使直流（DC）信号输出最小，如果直流信号输出最小还没出现过信号是因为线圈的电流方向接反，只需将接线方向对调即可。 (5)将示波器的输入通道打在交流（AC）档上，调节适当的扫场强度(幅度为大概为 5mV 档)，缓慢地改变电磁场的励磁电流，搜索 ESR 信号。当磁场满足共振条件时，可观察到共振信号。 (6)这时在示波器就可以观察到共振信号，但此时的信号不一定为最强，可以再小范围的调节短路活塞与检波器，也可以调节样品在磁场中的位置（样品在磁场中心处为最佳状态），使信号达到一个最佳的状态。 (7)信号调出以后，关机，将阻抗匹配器接在环型器中的（II）端与扭波导中间，开机，通过调节阻抗匹配器上的旋钮，就可以观察到吸收或色散波形。 (8) 测量磁共振对应的微波频率和磁场，求得朗得因子 g(测量多组数据并进行数据分析和说明实验误差)。 4. ESR 信号的观测 (1)测定 DPHH 中电子的朗德 g 因子，观察共振现象。 1) 将励磁电源电压调到 0，打开励磁电源，打开扫场电源。调整示波器为 XY 工作方式，两通道都置“AC”档，X 灵敏度置 10mV/DIV，Y 灵敏度置 1V/DIV，开示波器。 2) 可变衰减器下调，仔细调整励磁电流，使示波器显示共振峰，调整调配器，使共振峰如图（5）所示。在此过程中，需要调整示波器和可变衰减器，使示波器能够清晰显示共振峰。可变衰减器不要调的过小，一般不低于 30，以保护检波器。 3) 调整扫场电源的相位，使两共振峰重合。调整励磁电流使共振峰居中。用特斯拉计测量磁场。 4) 移动样品位置，测出各共振信号出现的位置z1 , z2 , z3.。 5) 改变谐振腔腔长，重复以上步骤，得到另外几数据。 (2)测量共振峰宽 6 ) 调节均匀磁场线圈电流，即改变恒磁场B为B1，使共振峰处在扫描线的一端x1的位置，在改变B1为B2，使共振峰处在扫描线的另一端x2位置(注意保持x1、x2位置同处于扫描线的 1/4 周期内)，最后改变B1，使共振峰处在扫描线中央(图 6)，在示波器上测出共振峰半宽 Δx，则共振谱线半宽为 2 1 2 1 δΒ = ( ) Β −Β ∆x /(x x − 图（5）共振吸收峰图（6）示波器上的共振峰半宽Δx 示意图