微波段电子自旋共振实验报告

1、微波段电子自旋共振引盲电于自旋共振(Electron Spin Rcsoniuicc ,简称ESR)也称电于顺磁共振(Electron Paramagnetic Rcson；mcc),是1944年由扎伏伊斯基首先观测到的，它是磁共振波谱学的一个 分支。在探索物质中未耦台电于以及它们与周围原于相互作用方面，顺磁共振具有很高的灵 敏度和分辨率，并且具有在测長过程中不破坏样品结构的优点。目前它在化学，物理，生物 和医学等领域都获得了广泛的应用。实验目的1. 本实验的目的是在丁解电于自旋共振原理的基础上，学习用微波频段检测电于自旋 共振信号的方法。2. 通过有机自由基PPPH的g宜和EPR谱线共振线宽

2、并测出OPPH的共振频率人，算出共振磁场仪，与特斯拉计测長的磁场对比。3. 了解、掌握微波仪器和器件的应用。4学习利用锁相放大器进行小信号测長的方法。实验原理电于自旋共振研究的对象是有未偶电于(即未成对电于)的物质，如具有奇数个电于的 原于和分于，内电于壳层未被埴满的原于和离于，受辐射或化学反应生成的自由基以及固体 缺陷中的色心和半导体、金属等。通过对物质的自旋共振谱的研究，可以了解有关原于，分 于及离于中未偶电于的状态及周围环境方面的信息，从而获得有关物质结构的知识。例如对 固体色心的自旋共振的研究，从谱线的形状、线宽及g银于，可以估算出缺陷的密度，丁解 缺陷的种类，缺陷上电于与电于的相互作

3、用，电于与晶格的相互作用的性质等。电于自旋共振可以研究电于磁矩与外磁场的相互作用，通常发生在波谱中的微波波段， 而核磁共振(N1MR) 般发生在射频范围。在外磁场的作用下的能级发生分裂，通常认为 是塞曼效应所引起的。因此可以说ESR是研究电于塞曼能级间的直接跃迁，而NMR则是研 究原于和塞曼能级间的砥迁。也就是说，ESR和NMR是分别研究电于自旋磁矩和核磁矩在 外磁场中磁化动力学行为。1.电于自旋磁偶极矩电于自旋磁偶极矩卩和自旋磁矩m的关系是 =其自旋磁偶极矩与角动長之比称为旋磁比仏其表达式为因此，电于自旋磁偶极矩沿磁场H方向的分長应该写为精品他I叫 切=一 rhms =- q 瓦叫=-g九叫

4、式中叫为电于自旋角动長的Z分長長于数、旳为玻尔磁于。由于自旋角动長取向的空间呈于化，必将导致磁矩体系能级的空间長于化。即得一组在磁场中电于自旋此举的能長值为E = g附H叫这说明塞曼能级间的裂距是随磁场强度线性増大的，如下图所示。2电于自旋磁偶极矩卩在磁场H中的运动电于自旋磁矩绕磁场H的迸动方程为d “上式的解为& = acos o0L “), = asin a)ot9 匕=constant式中 = y。上式表征了磁偶极矩“与磁场0保持一定的角度绕z轴做Larmor进动，其 迸动的角频率为叫二川。如下图所示如果在垂直于恒定磁场H的平面内加进一个旋转磁场A若此旋转磁场的旋转方向和进 动方向相同，

5、当焉勺旋转角频率3 = %时，“和F保持相对静止。于是也将受到一个力矩的 作用，绕E做迸动，结果是与。之间的夹角增大，说明例于吸收丁来自旋转磁场E的势能， 这就发生了电于顺磁共振现象，共振条件：30 = 3 = 叫=(%”0hu = gnBHQ3.电于自旋的長于力学描述 自旋为S的电于AE =讪hu = AE = kh/Hg=2 时,计算得u = 9.51GHz4. 弛豫过程、线宽共振吸收的另一个必要条件是在平衡态下，低能态E的粒于数2/比高能态艮的粒 于数2多，这样才能显示出宏观（总体）共振吸收。即由低能态向高能态跌迁的 粒于数目比由高能态跃迁向低能态的教目多，这个条件是满足的，因为平衡时粒

6、于 数分布服从玻尔兹曼分布：巧 KXp（-L）假定E 显然叫I450400350300-1000-2000-3000-40UU-5000boo25020015010050细扫由巳知.=937Gz则= 334.4皿与特斯拉计测得的333曲相差不多。思考题1. 测g值时，为什么要使共振信号等间距？怎样使信号等间距？当共振信号非等间距时，由于hu=M =却川,共振点处h未知。调节射频场的 频率v使共振信号等间距，共振点处则可以知道H的值。迸而可以测出g值。2. 血如何产生？作用是什么？心是由电源励磁电流通过电磁铁产生。用来提供稳定的静磁场。高分辨率检测雷要 更加稳定的静磁场。P是由微波源产生。由于能

7、级差是一个精确的長，交变电磁场能長很难固定在这一 值上，所以需要调制场P的作用，使得磁场有一个变化的区域。3. 不加扫描电压能否观察到共振信号？本实验采用扫场的方式，固定微波频率改变外磁场。若不加扫描电压，如上题所述 若将静磁场稳定的保持在能级差的長值上，则会观察到单个的共振信号。这要求 电磁铁产生的磁场足够稳定。4. 如果电脑显示的锁定放大器输出波形反相了，会是哪些原因？电于顺磁共振谱仪中，当微波频率不变时，输出信号（吸收曲线I 一 I是外磁场B的 函数，可以按泰勒级数展开：1 = 1（九）+ i（B）（B - Bo） + 式B）（B - B）2 +如在缓慢变化的上加一高频余弦调制，即B+ Bscos伙则上式变为II = 1（血）+ i（e0）Bscos （kt） + -I（B0）fi/cos2 （kt） + 如果较小，可以将高次项珀去并且考虑噪声，即：I = l(o)+ i(JsCos (kt) + iV(t)锁相放大器处理，有+ i(no)/?scos (kt) + AZ(t)cos (kt)dt = oo由上式可知输出信号为l（Bo）的一阶导数。可以得出选区足够大的积分时间和足够高 的频率即可大幅度提高信噪比。若输出波形反相了，则可以知道锁相放大器之前，输出信号也为反相的。有