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）