电子自旋共振基本原理和实验方法的实验

1、电子自旋共振电子自旋共振(Electron Spin Resonance，缩写为ESR)，又称顺磁共振(Paramagnetic Resonance)是：处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。ESR已成功地被应用于顺磁物质的研究，目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子；研究半导体中的杂质和缺陷；离子晶体的结构；金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以，ESR也是一种重要的控物理实验技术。实验目的：1、学习电子自旋共振的基本原理和实验方法； 2、观察并研

2、究电子自旋共振现象，测量DPPH中电子的朗德因子g；实验重点：电子自旋共振原理的掌握实验难点：频率为9370Hz的微波的调节和驻波的调节 实验原理：原子的磁性来源于原子磁矩，由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的总磁矩由原子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。在本单元的基础知识中已经谈到，原子的总磁矩J与PJ总角动量之间满足如下关系： B J= - g PJ = PJ, h式中B 为玻尔磁子，h为约化普朗克常量，由上式得知，回磁比 B = - g （9.3.1） h按照量子理论，电子的L-S耦合结果，朗德因子 J(J+1)+S(S+1)-L(L+1) g = 1+ （9.3.2） 2J

3、(J+1)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，若磁矩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与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。将原子磁矩不为零的顺磁物质置于外磁场B0中，则原子磁矩与外磁场相互作用能由式（9.0.10）决定，那么，相邻磁能级之间的能量差 E=hB0 （9.3.3）如果垂直于外磁场B0的方向上施加一幅值很小的交变磁场2 B1cost，当交变磁场的角频率满足共振条件 h=E=hB0 （9.3.4）时，则原子在相邻磁能级之间发生共振跃

4、迁。这种现象称为电子自旋共振，又叫顺磁共振。在顺磁物质中，由于电子受到原子外部电荷的作用，使电子轨道平面发生旋进，电子的轨道角动量量子数L的平均值为0，当作一级近似时，可以认为电子轨道角动量近似为零，因此顺磁物质中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。由9.3.1和9.3.4两式可解出g因子： g=hf0/BB0 （式中f0为共振频率，h为普朗克常数）本实验的样品为DPPH(Di-Phehcryl Picryl Hydrazal)，化学名称是二苯基苦酸基联氨，其分子结构式为（C6H5）2N-NC6H2·（NO2）2，如图9.3.1所示。它的第二个氮原子上存在一个未成对的电子，构成有机自由基

5、，实验观测的就是这灰电子的磁共振现象。实际上样品是一个含有大量不成对的电子自旋所组成的系统，它们在磁场中只分裂为二个塞曼能级，在热平衡时，分布于各塞曼能级上的粒子数服从波耳兹曼分布，即低能级上的粒子数总比高能级的多一些，因此，即使粒子数因感应辐射由高能级跃迁到低能级的概率和粒因感应吸收由低能级跃迁到高能级的概率相等，但由于低能级的粒子数比高能级的多，也是感应吸收占优势，从而为观测样品的磁共振吸收信号提供可能性。随着高低能级上粒子差数的减少，以致趋于零，则看不到共振现象，即所谓饱和。但实际上共振现象仍可继续发生，这是弛豫过程在起作用，弛豫过程使整个系统有恢复到玻耳兹曼分布的趋势，两种作用的综合效

6、应，使自旋系统达到动态平衡，电子自旋共振现象就能维持下去。电子自旋共振也有两种弛豫过程，一是电子自旋与晶格交换能量，使得处在高能级的粒子把一部分能量传给晶格，从而返回低能级，这种作用称为自旋-晶格弛豫。由自旋-晶格弛豫时间用T1表征，二是自旋粒子相互之间交换能量，使它们的旋进相位趋于随机分布，这种作用称自旋-自旋弛豫。由自旋-自旋弛豫时间用T2表征。这个效应使共振谱线展宽，T2与谱线的半高宽（见图9.0.5）有如下关系 2 （9.3.5） T2故测定线宽后便可估算T2的大小。观察ESR所用的交变磁场的频率由恒定磁场B0的大小决定，因此可在射频段或微波段进行ESR实验。实验装置微波ESR谱仪由产

7、生恒定磁场的电磁铁及电源，产生交变磁场的微波源和微波电路，带有待测样品的谐振腔以及ESR信号的检测和显示系统等组成。1、微波源：由于固态微波源寿命长、使用简单、输出的微波频率较稳定等优点，是最常用的一种微波信号发生器。2、可调的矩形谐振腔。可调的矩形谐振腔结构如图9.3.5所示，它既为样品提供线偏振磁场，同时又将样品吸收偏振磁场能量的信息传递出去。谐振腔的末端是可移动的活塞，调节其位置，可以改变谐振腔的长度，腔长可以从带游标的刻度连杆读出。为了保证样品处于微波磁场最强处，在谐振腔宽边正中央开了一条窄槽，通过机械传动装置可以使样品处于谐振腔中的任何位置，样品在谐振腔中的位置可以从窄边上的刻度直接

8、读出。该图还画出了矩形谐振腔谐振时微波磁力线的分布示意图。3、魔T。魔T的作用是分离信号，并使微波系统组成微波桥路，其结构如图9.3.6所示。按照其接头的工作特性，当微波从任一臂输入时，都进入相邻两臂，而不进入相对臂。4、配器。单螺调配器是在波导宽边上开窄槽，槽中插入一个深度和位置都可以调节的金属探针，当改变探针穿伸到波导内的深度和位置时，可以改变此臂反射波的幅值和相位，该元件的结构示意图如图9.3.7所示。实验内容：1、按图一所示连接系统，将可变衰减器顺时针旋至最大，开启系统中各仪器的电源，预热20分钟。2、将旋钮和按钮作如下设置：“磁场”逆时针调到最低，“扫场”逆时针调到最低。按下“检波”

9、按钮，“扫场”按钮弹起，此时磁共振实验仪处于检波状态（注：切勿同时按下）。3、将样品位置刻度尺置于90mm处，样品应置于磁场正中央。4、将单螺调配器的探针逆时针旋至“0”刻度。5、信号源工作于等幅工作状态，调节可变衰减器使调谐电表有指示，然后将“检波灵敏度”旋钮指示最大控制磁共振实验仪的调谐指示占满度的1/2左右。6、用波长表测定微波信号的频率，方法是：旋转波长表的测微头，找到电表跌落点，查波长表刻度表即可确定振荡频率，若振荡频率不在9370MHz，应调节信号源的振荡频率，使其接近9370MHz的振荡频率。测定完频率后，需将波长表刻度旋开谐振点。7、为使样品谐振腔对微波信号谐振，调节样品谐振腔

10、的可调终端活塞，使调谐电表指示最小，此时，样品谐振腔中的驻波分布如图二所示。8、为了提高系统的灵敏度，可减小可变衰减器的衰减量，使调谐电表显示尽可能提高。然后，调节魔T另一支臂单螺调配器指针，使调谐电表指示更小。若磁共振仪电表指示太小，可调节灵敏度，使指示增大。9、按下“扫场”按钮。此时调谐电表指示为扫场电流的相对指示，调节“扫场”旋钮可改变扫场电流。10、顺时针调节恒磁场电流，当电流达到1.651.79A时，示波器上即可出现如图三（b）所示的电子共振信号。11、若共振波形峰值较小，或示波器图形显示欠佳，可采用四种方式调整：11.1将可变衰减器反时针旋转，减小衰减量，增大微波功率。11.2正时

11、针调节“扫场”旋钮，加大扫场电流。11.3提高示波器的灵敏度。11.4调节微波信号源振荡腔法兰盘上的调节钉，可加大微波辐射功率。12、若共振波形左右不对称，调节单螺调配器的深度及左右位置，或改变样品在磁场中的位置，通过微调样品谐振腔，使共振波形形成。13、调节“调相”旋钮即可使双共振峰处于合适的位置。14、用高斯计测得外磁场B0，用公式 hf0 g= BB0计算g因子。（g因子一般在1.95-2.05之间）。15、为了得到腔体的波导波长g，可移动样品的位置，两信号之间距离即为g/2。注意事项：1、样品应放在磁场的正中间 2、调节频率时，应找到陷波点实验数据：f=9370MHz B=0.34T 电子自旋共振实验总结: 通过做