微波顺磁共振实验报告

1、精品文档*微波顺磁共振实验报告近代物理实验报告顺磁共振实验学 院 班 级姓 名学 号时间 2014 年 5月 10 日中 PePl2me,负，因而？l?B1)?B?2me 称为玻尔磁子电子除了轨道运动外，其中e还具有自旋运动, 因此还具有自旋磁矩，其数值表示为：？s?ePs?me由于原子 核的磁矩可以忽略不计，原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩 合 成 原 子 的 总 磁 矩：？j?gej(j?1)?l(l?1)?s(s?1)Pjg?1?2me，其中 g 是朗 德因子：2j(j?1)在外磁场中原子磁矩要受到力的作用，其 效果是磁矩绕磁场的方向作旋进，也g 就是Pj绕着磁场 方向作旋进，引入回磁比同

2、时原子角动量Pj和原子总磁矩 Pj?m ,m?j,j?1,j?2,e2me，总磁矩可表示成？j?Pj?j取向是量子化的Pj在外磁场方向上的投影为：其中m称为 磁量子数，相应磁矩在外磁场方向上？j的投影 为：?j?m?mg?B; m?j,j?1,j?2,是一个具有与低频电桥相类似特近代物理实验报告微波顺磁共振、核磁共振 实验学 院 数理与信息工程学院 班 级 光信081班 姓 名 吴勇军学 号08620124 时 间 2011年5月12日摘要：电子自 旋共振(Electron Spin Resonance),缩写为ESR,又称顺磁共 振(Paramagnetic Resonance)它是指处于恒

3、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 跃迁现象这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不 为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振1944年由前苏联的 柴优依斯基首先发现它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所 以 1945 年 Purcell PaundBloch 和 Hanson 等人提出的 NMR 实验技术后来也被用来观测ESR现象目前它在化学、物理、 生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用用电子自旋 共振方法研究未成对的电子，可以获得其它方法不能得到或 不能准确得到的数据如电子所在的位置，游离基所占的百分 数等等1939年美国物理学家拉比用他创立的分子束共振法 实

4、现了核磁共振1945年至1946年珀赛尔小组和布洛赫小组 分别在石蜡小组分别在石蜡和水中观测到稳态核磁共振信 号，从而在宏观的凝聚物质中取得成功此后，核磁共振技术 迅速发展，还渗透到生物、医学、计量等学科领域以及众多 生产技术部门，成为分析测试中不可缺少的实验手段关键 词：电子自旋共振 共振跃迁 铁磁共振g因子在量子力学 中Pl?l?e?B 其中?B?e?2me称为玻尔磁子电子除了轨道 运动外还具有自旋运动，因此还具有自旋磁矩，其数值表示 为：?s?emePs?由于原子核的磁矩可以忽略不计，原子中电 子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩：？j?ge2mePj 其中 g 是朗德因子，g?1?j

5、(j?1)?l(l?1)?s(s?1)2j(j?1)在 外磁场中原子磁矩要受到力的作用，其效果是磁矩绕磁场的方向作旋进，也就是Pj绕着磁场方向作旋进，引入回磁 比ge2me ，总磁矩可表示成？j?Pj同时原子角动量Pj和 原子总磁矩?j取向是量子化的Pj在外磁场方向上的投影 为：Pj?m? m?j,j?1,j?2,?j其中m称为磁量子数，相应 磁矩在外磁场方向？j?mmg?Bm?j,j?1,j?2,?j二、电子顺磁共振原子磁矩与外磁场B相互作用可表示为：Ej?B?mg?BBm?B不同的磁量子数m所对应的状态表示不同的磁能级，相邻磁能级间的能量差为?EB ，它是由 原子受磁场作用而旋进产生的附加

6、能量如果在原子所在的Isi稳定磁场区又叠加一个与之垂直的交变磁场，且角频率？满足条件g?BB 即E?B，刚好满足原子在稳定外磁场中的邻近二能级差时，二邻近能级之间就有共振跃迁，我们 称之为电子顺磁共振当原子结合成分子或固体时，由于电子 轨道运动的角动量常是猝灭的，即Pj近似为零，所以分子 和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献根据泡利原理， 一个电子轨道最多只能容纳两个自旋相反的电子，若电子轨 道都被电子成对地填满了，它们的自旋磁矩相互抵消，便没 有固有磁矩通常所见的化合物大多数属于这种情况，因而电 子顺磁共振只能研究具有未成对电子的特殊化合物三、弛豫 时间实验样品是含有大量具有不成对电子自旋

7、所组成的系 统，虽然各个粒子都具有磁矩，但是在热运动的扰动下，取 向是混乱的，对外的合磁矩为零当自旋系统处在恒定的外磁场H0中时，系统内各质点的磁矩便以不同的角度取向磁场H0的方向，并绕着外场方向进动，从而微波源：微波源可采用反射式速调管微波源或固态微波源本实验采用3颔固态微 波源，它具有寿命长、输出频率较稳定等优点，用其作微波 源时，ESR的实验装置比采用速调管简单因此固态微波源目 前使用比较广泛通过调节固态微波源谐振腔中心位置的调 谐螺钉，可使谐振腔固有频率发生变化调节二极管的工作电 流或谐振腔前法兰盘中心处的调配螺钉可改变微波输出功 率魔T：魔T是一个具有与低频电桥相类似特征的微波元器

8、件，如图所示它有四个臂，相当于一个ET和一个HT组 成，故又称双丁，是一种互易无损耗四端口网络，具有“双 臂隔离，旁臂平分的特性利用四端口 S矩阵可证明，只要 1、4臂同时调到匹配，则2、3臂也自动获得匹配；反之亦然E臂和H臂之间固有隔离，反向臂2、3之间彼此隔离， 即从任一臂输入信号都不能从相对臂输出，只能从旁臂输出 信号从H臂输入，同相等分给2、3电子顺磁共振实验报告 实验八 微波电子自旋共振图1电子自旋共振实验装置图1.电磁铁系统由电磁铁、励磁电源和调场电源组成，用于产生外磁场B?BD +BAcos?t励磁电源接到电磁铁直流绕组产生恒定磁场BD,通过调整励磁电流改变BD.调场电源接到电

9、磁铁交流绕组，产生调制磁场BAcos?t,并经过相移电路接 到示波器X轴输入端?为调制场的圆频率，此调制磁场每周两次扫过电子自旋共振区，从而在示波器上看到稳定的共振 信号与此同时再将微波信号经过检波后接至示波器丫轴，则 发生共振时，吸收信号便以脉冲形式显示在示波器上2.微 波系统三厘米固态信号源：产生微波信号隔离器：只允许微 波从输入端进，从输出端出起隔离微波源与负载的作用波长 计：用来测量微波波长，使用时调整螺旋测微计，在示波器 上会出现吸收峰，或微安表指示大幅度下降，根据螺旋测微 计的读数查表，即可得到吸收峰处的微波频率图2环形器 工作示意图调配器：使两种不同阻抗的微波器件达到匹配的 可调

10、器件，匹配就是将输入的波完全吸收，没有反射可变衰 减器：用于调整输入功率检波器：用来测量微波在测点的强 度谐振腔：本实验使用TE型谐振腔，腔内形成驻波，将样 品置于驻波磁场最强的地方，才能出现磁共振微波从介质谐 振腔的一端进入，介质谐振腔前后端面有金属箔，形成反射 面DPPH样品封装在介质谐振腔内部，通过调整介质谐振腔, 可以调节谐振腔长，以产生驻波图3谐振腔示意图DPPH样 品：密封在介质谐振腔中，置于微波谐振腔内3.电子检测 系统电子检测系统为微波电子自旋共振仪和示波器：(1)微 波电子自旋共振仪)1.吸收 2色散 3456图(56)微波顺磁共振14.用高斯计测得外磁场B0，用公 式(2)

11、计算g因子.扫描隧道显微镜1、使用前先检查连线是否连接正确2、先启动电脑，等电脑进入winXP界面后在打开控制箱电源 开关，然后打开桌面上AJ- I扫描隧道显微镜的控制软件,软件打开后首先对显微镜进行校正，选定通道零，然后点击“应用”最后确定3、打开如下图框：高度图象、马达控 制，再点击一次马达控制的“单步进” 4、剪针尖：首先将 丙酮溶液对针、镊子和剪刀进行清洁，少等片刻让针、镶子 和剪刀完全干燥下面开始剪针尖：将镶子夹紧针一端，另一 端则为我们要剪的针尖，慢慢转动剪刀使剪刀和针成一定角 度快速剪下，同时拌有冲力，然后以强光为背光对针尖进行 肉眼观察，看是否有比较尖锐的针尖若无，请重复此项操

12、作, 若有操作继续5、安装针尖：小心的将针尖插入探头的针槽 内，插入时保证针与针槽内壁有较强磨擦力，以确保针的稳 固然后将样品平稳的放到扫描管的扫描平台上6、进针：机 座上有三个高度调节旋钮，前置两个为手动调节旋钮，后一 个为马达驱动控制旋钮，先手动调节前置旋钮，从上往下看, 顺时针为进针，逆时针为退针，调节时先在石墨平面上找到 镜像小红灯，同时调节视点在镜像小红灯平面上找到实际针 尖的镜像针尖，调节实际针尖和镜像针尖的距离调节至实际 针尖与镜像针尖的距离无法欲知再调节下去是否撞针时，采 用自动进针中的红线是否有撞针现象，红线到达顶部即为撞 针，一般情况下针尖报废，如针未报废，重复上两步操作） 点击马达高级控制面板中的“连续进”并密切注意观察进针情况，待“已进入隧道区马达停止连续进的提示框出现后, 在点击提示框的“确定”，然后进行单步进操作用鼠标点击 马达高级控制面板中的“单步进，调节红线于中间位置时 停止，进针结束，并关闭“马达高级控制面板”图框7、针尖检验：打开“Iz曲线Z”图，观察图 象中的电流衰减情况，图象中曲线越陡峭说明针尖越好；反 之，针尖不好！ 8、扫描：将扫描控制面板中的“扫描范围”参数设置为最大，在将“显示范围参数设置为10nm，其它 参数无须设定保持默认值由于本实验所用的针尖不