中科大-电子顺磁共振波谱学概论课件

陈家富jfchen@合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）2015年11月

全校研究生课程—EPR物质(微)结构的波谱与能谱分析

—电子顺磁共振波谱EPR/ESR概论陈家富全校研究生课程—EPR物质(微)结构的波谱与1相关参考书目：1、JohnA.WeilandJamesR.Bolton，ElectronParamagneticResonance—ElementaryTheoryandPracticalApplications,2nd

Edition,John-Wiley,20072、N.M.Atherton,Principlesofelectronspinresonance,EllisHorwood,19933、MarinaBrustolonandElioGiamello,ElectronParamagneticResonance:APractitionersToolkit，John-Wiley,2009……全校研究生课程—EPR相关参考书目：1、JohnA.WeilandJame2裘祖文，电子自旋共振波谱，科学出版社，1980张建中等，自旋标记ESR波谱的基本理论和应用，科学出版社，1987陈贤镕，电子自旋共振实验技术，科学出版社，1986赵保路编著，电子自旋共振技术在生物和医学中的应用，中国科大出版社，2009姜寿亭,李卫编著，凝聚态磁性物理，科学出版社，2006陈慧兰著，高等无机化学，高等教育出版社，2005全校研究生课程—EPR裘祖文，电子自旋共振波谱，科学出版社，1980全校研究生课3相关网站：1、

国际EPR/ESR协会2、

布鲁克公司3、www.jeol.co.jp

日本电子……全校研究生课程—EPR相关网站：1、全校研究生课程—4一、顺磁共振波谱（EPR）基本原理二、EPR研究对象、体系及应用三、EPR波谱四、EPR波谱仪一、顺磁共振波谱（EPR）基本原理5

ElectronParamagneticResonance,EPR,isaspectroscopictechnique,whichdetectsspeciesthathaveunpairedelectrons.

它是直接检测和研究含有未成对电子顺磁性物质的一种波谱学技术。

ItisalsooftencalledESR,ElectronSpinResonance,ESR.电子顺磁共振:ElectronParamagneticRes6电子顺磁共振专业名词的变迁历程：ESR/EPR/EMR电子自旋共振—ElectronSpinResonance电子顺磁共振—ElectronParamagneticResonance电子磁共振—ElectronMagneticResonance若未抵消的电子磁矩来源于外层电子或共有化电子的未配对自旋[如半导体和金属中的导电电子、有机物的自由基、晶体缺陷（如位错）和辐照损伤（如色心）等]产生的未配对电子，则常称为电子自旋共振。若未抵消的电子磁矩来源于未充满的内电子壳层（如铁族原子的3d壳层、稀土族原子的4f壳层），则一般称为（狭义的）电子顺磁共振。电子顺磁共振专业名词的变迁历程：若未抵消的电子磁矩来源于外层7ResonanceResonance8

宇宙是在一次剧烈的大爆炸后产生的。而促使大爆炸产生的根本原因之一，便是共振。当宇宙还处于浑沌的奇点时，里面就开始产生了振荡。起初，这种振荡是非常微弱的。渐渐地，振荡的频率越来越高、越来越强，并引起了共振。最后，在共振和膨胀的共同作用下，导致大爆炸，宇宙在瞬间急剧膨胀、扩张……

共振不仅创造出了宏观的宇宙，而且，微观物质世界的产生，也与共振有着密不可分的干系。

宇宙是在一次剧烈的大爆炸后产生的。而促使大爆炸产生的9中科大-电子顺磁共振波谱学概论课件10农历8月18日钱塘江会发生大潮，这现象是因为月亮的引力所造成的。而只有当太阳、月亮和地球处于同一直线时，这种大潮才会发生，这也是一种共振。

农历8月18日钱塘江会发生大潮，这现象是因为月亮的引力所造成11中科大-电子顺磁共振波谱学概论课件12中科大-电子顺磁共振波谱学概论课件13电子顺磁共振

(EPR/ESR)

历史：1945年，前苏联物理学家，柴伏依斯基/或称扎伏伊斯基

(Zavoisky,N.K.)观察发现的(J.Phys.USSR1945,9,245)。

电子顺磁共振(EPR/ESR)14发现人时间发现内容SternandGerlach1921/22发现电子磁矩的空间量子化Pauli1924提出核磁矩与电子之间存在超相互作用（Hyperfine）UhlenbeckandGoudsmidt1925提出电子的自旋及其磁矩特性BreitandRabi1931计算H原子能级，指出核自旋与电子自旋角动量耦合Rabi,Zacharias,Millman,Kusch1938第一个NMR实验，测量了原子核磁矩Zavoisky1945第一个ESR实验CuCl2.2H2O/4.76mT@133MHzBlochF.,PurcellE.M.1946第一个固体的NMR实验Griffiths1946第一个铁磁共振FMR实验与理论Kittel1947Paulis,Kittel1951第一个反铁磁共振AFMR实验与理论ДофманЯ.

Г.,DresselbausG.1951/53回旋共振的理论与实验MössbauerR.L.,PoundR.V.1958/59Mössbauer效应（无反冲g射线共振吸收）与磁共振研究相关的重要历史事件：

发现人时间发现内容Stern15因磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家:1944年I.S.Rabi1952年F.Bloch,E.M.Purcell1955年W.E.Lamb,P.Kusch1966年A.Kastler1977年J.H.VanVleck1989年N.F.Ramsey,H.G.Dehmelt,W.

Paul1991年

R.R.Ernst2002年

K.Wüthrich2003年

P.C.Lauterbur,S.P.Mansfield2007年A.Fert,P.Grünberg

因磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家:1944年16

1944年诺贝尔物理学奖授予:美国拉比,以表彰他用共振方法纪录原子核磁特性。

1952年诺贝尔物理学奖授予:美国布洛赫和美国马萨诸塞州哈佛大学的珀塞尔,以表彰他们有关核磁精密测量的新方法及由此所做的发现。

1955年诺贝尔物理学奖一半授予:美国的库什(P.Kusech),以表彰他对电子矩阵所作的精密测定（电子磁矩）。

1966年诺贝尔物理学奖授予:法国卡斯特勒，发明并发展用于研究原子内光、磁共振的双共振方法。

1977年诺贝尔物理学奖授予:安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究(J.VanVleck研究了抗磁性和顺磁性的量子力学理论

)。

1989年诺贝尔物理学奖授予:拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在原子钟中的应用(原子束的振荡场);德默尔特（美国）、保尔（德国）发展原子精确光谱学和开发离子陷阱技术(精确测量出正、负电子的g因子

)。

2007年诺贝尔物理学奖授予：法国科学家艾尔伯·费尔和德国科学家皮特·克鲁伯格，表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献（在磁场作用下，磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象，被称为磁阻效应）.1944年诺贝尔物理学奖授予:美国拉比,以表彰他171991年诺贝尔化学奖授予:瑞士恩斯特（R.Ernst），以表彰发明了傅立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术而获奖。

2002年诺贝尔化学学奖授予:瑞士维特里希，“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。

2003年诺贝尔生理医学奖授予:美国科学家保罗·劳特布尔和英国科学家彼得·曼斯菲尔德。他们在核磁共振成像技术上获得关键性发现，这些发现最终导致核磁共振成像仪的出现。

……!!!1991年诺贝尔化学奖授予:瑞士恩斯特（R.18一、EPR基本原理1、概述电子自旋的磁特性一、EPR基本原理1、概述19JosephJohnThomson

（英国）

TheNobelPrizeinPhysics1906

In1891,theIrishphysicist,GeorgeStoney,believedthatelectricityshouldhaveafundamentalunit.Hecalledthisunittheelectron.TheelectronwasdiscoveredbyJ.J.Thomsonin1897.Theelectronwasthefirstsub-atomicparticleeverfound.Itwasalsothefirstfundamentalparticlediscovered.TheconceptofelectronspinwasdiscoveredbyS.A.GoudsmitandGeorgeUhlenbeckin1925.Theelectronhasthreebasicproperties:electriccharge,massandspin.

EPR—基本原理古德斯密特、乌伦贝克：荷兰-美国物理学家

JosephJohnThomson（英国）

TheN20EPR—基本原理EPR—基本原理21做自旋运动的电子可视为一个微小磁体。EPR—基本原理做自旋运动的电子可视为一个微小磁体。EPR—基本原理22What’stheElectronSpin?电子具有电荷，同时电子像陀螺一样绕一个固定轴旋转，形成有南北极的自旋磁矩。Theelectronspinistheelectron’selectromagneticfieldangularmomentum.

电子自旋即电子的电磁角动量电子内禀运动或电子内禀运动量子数的简称。

EPR—基本原理What’stheElectronSpin?电子具有电23EPR—基本原理EPR—基本原理24关于自旋电子的一些为什么——浅谈与超导电性对抗的磁性元素Fe、Co,、Ni为什么形成化合物就超导了?张裕恒《物理》40卷(2011年)3期EPR—基本原理关于自旋电子的一些为什么EPR—基本原理25TwinkletwinklelittleSpinAreyousingleorareyoutwin?Areyourealorareyoufalse?HowIcraveyourresonantpulse——JOHNA.WEILEPR—基本原理TwinkletwinklelittleSpinEPR26Stern-Gerlach实验：斯特恩-格拉赫实验是电子有内禀的自旋运动的实验基础之一。

EPR—基本原理Stern-Gerlach实验：EPR—基本原理27

ThetechniqueofelectronparamagneticresonancespectroscopymayberegardedasafascinatingextensionofthefamedStern-Gerlachexperiment.UhlenbeckandGoudsmitlinkedtheelectronmagneticmomentwiththeconceptofelectronspinangularmomentum.Rabietal.studiedtransitionsbetweenlevelsinducedbyanoscillatingmagneticfield.Thisexperimentwasthefirstobservationofmagneticresonance.

Stern-Gerlach实验：测量原子的磁矩，让原子束通过不均匀磁场。实验发现原子的磁矩在磁场方向的分量有不同的数值，是因为原子在该方向受不同的作用力，从而在该方向有不同的偏移距离。EPR—基本原理Thetechniqueofelectron28

Thefirstobservationofanelectronparamagneticresonancepeakwasmadein1945whenZavoiskydetectedaradiofrequencyabsorptionlinefromaCuCl2.2H2Osample.Aresonanceatamagneticfieldof4.76mTforafrequencyof133MHz;inthiscasetheelectronZeemanfactorgisapproximately2.Laterexperimentsathigher(microwave)frequenciesinmagneticfieldsof100–300mTshowedtheadvantageoftheuseofhighfrequenciesandfields.EPR—基本原理Thefirstobservationofa29Question：

为什么EPR/ESR研究的对象必须具有未成对(unpaired)的电子呢？EPR—基本原理Question：EPR—基本原理30物质自旋磁矩轨道磁矩电子磁矩+电子运动轨道运动和自旋运动轨道角动量自旋角动量（原子核及核外电子）原子（本征磁矩）EPR—基本原理物质自旋磁矩轨道磁矩电子磁矩+电子运动轨道运31

若轨道中所有的电子都已成对，则它们的自旋磁矩就完全抵消，导致分子无顺磁性。若至少有一个电子未成对，其自旋就会产生自旋磁矩。因此，

EPR研究的对象必须具有未成对电子。EPR—基本原理若轨道中所有的电子都已成对，则它们的自旋磁矩就完全抵消32H=0时,自旋磁矩的方向是随机的,并处于同一个平均能态H≠0时，自旋磁矩就有规则地排列起来（平行外磁场—对应能级的能量较低，或反平行于外磁场—对应能级的能量较高）EPR—基本原理H=0时,自旋磁矩的方向是随机的,并处于同一个平均能态33回答了哪些物质是顺磁性的!

若物质分子（原子、离子）中存在未成对电子，其自旋产生磁矩，亦称永久磁矩。通常情况下，该分子磁矩的方向是随机的，不呈现顺磁性。

当其处于外加磁场中，分子的永久磁矩随外磁场取向，产生与外磁场同向的内磁场，这就是物质顺磁性的来源。EPR—基本原理回答了哪些物质是顺磁性的!若物质分子（原子、离子34物质的磁性宏观物质的磁性是由构成原子的电子、质子、中子所携带的内禀自旋所导致的。电子：电子轨道磁矩，电子自旋磁矩

(本征磁矩)原子核的磁性：质子，中子(无轨道磁矩)。斯特恩OttoStem发现质子磁矩，1943年获Nobel物理奖。EPR—基本原理物质的磁性宏观物质的磁性是由构成原子的电子、质子、中子所携带35EPR—基本原理EPR—基本原理36构成原子的电子、质子、中子都是携带有内禀自旋磁矩，所以宏观物质都毫无一例外的是磁性物质。共线的物质的磁性有：抗磁性顺磁性铁磁性反铁磁性亚铁磁性

物质的磁性是物质的宏观物性，它是分子内部微观结构的总体反映。EPR—基本原理构成原子的电子、质子、中子都是携带有内禀自旋磁矩，所以宏观物37参考书《凝聚态磁性物理》抗磁性顺磁性铁磁性反铁磁性亚铁磁性c:磁化率TC:居里点/温度Θp:顺磁居里点/温度TN:尼尔温度EPR—基本原理参考书《凝聚态磁性物理》抗磁性c:磁化率EPR—基本原理382、共振条件(ResonantCondition)

顺磁性物质的分子（或原子、离子）中存在未成对电子，其电子自旋角动量Ms不为零。

其中，S是电子总自旋量子数，其值取决于未成对电子的数目n(S=n/2)，式中ћ=h/2π（Planck’sconstanth=6.626×10-34J.s）

Ms在z轴方向（磁场方向）的分量Ms,z是:Ms,z=msh/2π=msћ其中:ms为自旋磁量子数，其值

ms=S，S-1，S-2，…，-SEPR—基本原理2、共振条件(ResonantCondition)39e,z=-γMs,z

=-γmsћ=-gbms

分子磁矩在z方向的分量：

分子磁距在z方向的分量值与ms符号相反!

分子磁矩为：e=γMs

Ms-电子自旋角动量γ-电子旋磁比EPR—基本原理e,z=-γMs,z=-γmsћ=-gbm40γ=gee/2mec,电子旋磁比；

b(μB)—Bohr磁子（轨道角动量最小单位）

b=eћ/2mec=9.2741×10-24J/T;

ge因子：自由电子2.0023，无量纲；

e电子电荷；me电子质量,c光速。其中：EPR—基本原理γ=gee/2mec,电子旋磁比；其中：EPR—基本原理41电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象，即Zeeman分裂

对含有未成对电子的分子而言，其磁矩为

将此分子置于一外磁场中，则与

之间就有相互作用，产生能级分裂，即Zeeman分裂。电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象

——Zeeman分裂EPR—基本原理电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象，即Zeeman分42

1896年8月的一天，荷兰物理学家Zeeman把一盏燃烧着钠的本生灯（Bunsenburner）放到了电磁铁的两极间，奇妙的事情发生了：原本是单一谱线的钠光谱一下裂变成了三条！进一步的研究揭示了这一现象的奥秘：原来钠原子的电子能级在磁场的作用下产生了劈裂，电子在不同能级间的越迁就发出了三种不同波长的光。这一现象被命名为Zeeman劈裂，Zeeman本人也因此获得1902年的诺贝尔物理奖。

相关研究工作表明，不仅仅是电子，自旋数不为零的原子核的能级在磁场中也会产生劈裂，这就是核磁共振的物理基础。EPR—基本原理1896年8月的一天，荷兰物理学家Zeeman把一盏43电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象，即Zeeman分裂

对含有未成对电子的分子而言，其磁矩为

将此分子置于一外磁场中，则与

之间就有相互作用，产生能级分裂，即Zeeman分裂。E=-

·

=-

μHcosθ=-

μzH=-(-gbms)H=gbmsH可见，能级分裂随外磁场H增强而增大!作用能为：EPR—基本原理电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象，即Zeeman分44如果体系中只有一个未成对电子，则ms只取±1/2两个值，其两种可能状态的能量分别是：

Eα=(1/2)gbH；Eβ=-(1/2)gbH

当H=0时，Eα=Eβ=0，自旋电子两种状态具有相同的能量。EPR—基本原理如果体系中只有一个未成对电子，则ms只取±1/2两个值，其45H≠0时：分裂为两个能级Eα和Eβ，能级分裂的大小与H成正比。ΔE=Eα-

Eβ=g

bHEPR—基本原理H≠0时：分裂为两个能级Eα和Eβ，能级分裂的大小与H46

若在垂直于磁场H的方向上施加频率为的电磁波，根据磁能级跃迁的选择定律Δms=±1，h=gbH当满足下面条件（Planck’slaw）：

——EPR共振条件

EPR—基本原理若在垂直于磁场H的方向上施加频率为的电磁波，根据磁47电子发生受激跃迁，即低能级电子吸收电磁波能量而跃迁到高能级中。h=gbHEPR—基本原理电子发生受激跃迁，即低能级电子吸收电磁波能量而跃迁到48关系式β=eћ/2mc，也即β与m有关（成反比），由此也可以了解为什么核磁共振所使用的激发能（射频MHz）比顺磁共振的激发能(微波GHz)要小得多（小~103），因为mN

≈1836me

(βN

=eћ/2mNc)共振条件可简化为：

Hr(Gs)=h/gb=714.484×

(GHz)/g或写:g

=h/Hb

=0.0714484×(MHz)/H(mT)h=g

bHEPR—基本原理关系式β=eћ/2mc，也即β与m有关（成反比），由此也可49问题：为什么施加的电磁波要与磁场垂直？Nα/Nβ

=e-ΔE/kT电子自旋磁矩在外加磁场B0中的进动。在xy平面内存在一个以频率ω旋转的弱磁场B1。如果ω=ω0，这个磁矩可以和磁场B1相互作用。其中B1<<B0

。EPR—基本原理问题：为什么施加的电磁波Nα/Nβ=e-ΔE/kT电子自50EPR—基本原理EPR—基本原理51EPR—基本原理EPR—基本原理52ΔE=Eα-Eβ=

g

bH问题：电子自旋Zeeman分裂能大小？EPR—基本原理ΔE=Eα-Eβ=gbH问题：电子自旋Zeema53电子自旋Zeeman分裂能与500nm可见光的能量Evis比较：

Ez=hν=6.63×10-34J.s×9.5×109s×6.02×1023/mol=3.8J/mol500nm可见光的能量Evis:239KJ/mol分子热运动时的动能E(假设为单原子时)是：

E=3/2RT(R气体常数,300K)=3.74KJ/mol这说明，ESR分裂能级是很小的。因此，ESR实验时温度影响因素很大。EPR—基本原理电子自旋Zeeman分裂能与500nm可见光的能量Evis比54电子自旋在Zeeman分裂能级Ea、Eb上的分布满足BoltzmannDistributionRule：(k—Boltzmann常数1.38×10-23J/K，Ea、Eb能级上对应的电子自旋数分别为na、nb

,EPR信号强弱与Δn=nb

-na相关!)当T=300K时，H~0.34T，(na/nb)=0.9985~999/1000，即在常温下，高低能级自旋数差仅千分之一,

但这对ESR具有重要意义，否则，当na=nb时，ESR在理论上观测就不可能。EPR—基本原理电子自旋在Zeeman分裂能级Ea、Eb上的分布满足Bolt55若温度降低至77K即液氮温度时:

(na/nb)=0.994~994/1000若温度降低至4K即液氦温度区:

(na/nb)=0.892~892/1000即降低温度，ESR信号增强，是因为高低能级上的电子自旋差额增加的缘故。EPR—基本原理若温度降低至77K即液氮温度时:EPR—基本原理56A:受激激发，表现为吸收微波；E:受激辐射，表现为发射微波EPR—基本原理A:受激激发，表现为吸收微波；E:受激辐射，表现为发射微57EPR现象的严格论述，必须运用量子力学！自旋哈密顿函数EPR—基本原理EPR现象的严格论述，必须运用量子力学！自旋哈密顿函数EPR58索尔维会议

地点：比利时布鲁塞尔国际索尔维物理研究所

第五次索尔维会议—可能最著名的一次索尔维会议是1927年10月召开的第五次索尔维会议。此次会议主题为“电子和光子”，世界上最著名的物理学家聚在一起讨论重新阐明的量子理论。会议上最出众的角色是爱因斯坦和波尔。前者以“上帝不会掷骰子”的观点反对海森堡的测不准原理，而波尔反驳道，“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做”—这一争论被称为波尔—爱因斯坦论战。参加这次会议的二十九人中有十七人获得或后来获得诺贝尔奖。号称汇集全球三分之一智慧的一张照片！

EPR—基本原理索尔维会议

地点：比利时布鲁塞尔国际索尔维物理研究所EP59号称汇集全球三分之一智慧的一张照片EPR—基本原理号称汇集全球三分之一智慧的一张照片EPR—基本原理60Ĥ=gbHŜz电子自旋体系的哈密顿算符为：Ŝz的自旋本征函数为│a

>和│b>，其本征值分别为1/2和-1/2。Ŝz│a

>=1/2│a

>Ŝz│b

>=-1/2│b

>EPR—基本原理Ĥ=gbHŜz电子自旋体系的哈密顿算符为：Ŝz的自旋本征61因此，两自旋态的能量为：Eα=<a│Ĥ

│a

>=<a│gbHŜz│a

>=(1/2)g

bHΔE=Eα-Eβ=g

bH

两能级差：Eβ=<b│Ĥ

│b

>=<b│gbHŜz│b

>=-(1/2)g

bH若在与H垂直的方向施加一微波h，使得h=gβH，即产生磁共振吸收。

EPR—基本原理因此，两自旋态的能量为：Eα=<a│Ĥ│a>=62电子自旋能级的分裂EPR—基本原理电子自旋能级的分裂EPR—基本原理63h

ΔE=g

bHh=g

bH顺磁性物质铁磁性物质反铁磁物质EPR—基本原理hΔE=gbHh=gbH顺磁性物质铁磁性物64MicrowaveBand

Frequency(GHz)L

S

X

KQ

W1.1

3.0

9.525.0

34.0

94.0392

1070

3390

890012000

34000Hres(G)例如：采用

=9.5GHz的微波频率，对自由电子Hr=714.484(/ge)=714.4849.5/2.0023=3390Gs=339mT或=h/g

b=6.62610-34

9.5109/2.0023

9.27410-28（J.s）(1/s)/J/Gs=3390GsEPR—基本原理MicrowaveBandFrequency(GHz)65Frequencies:1.6-30GHzWavelengths:187-10mmQuantumenergies:0.66x10-5-0.12x10-3eV

EPR—基本原理Frequencies:1.6-30GHzWavelen66EPR谱仪常使用的微波频率EPR—基本原理EPR谱仪常使用的微波频率EPR—基本原理67以X波段（~10GHz）为中心，高、低频率的各自优势高频（>>35GHz）的优势:1.提高g值的分辨率2.消除超精细耦合作用A的二阶效应3.减小过冲(overshoot)现象4.增强电四极矩和其他禁戒跃迁5.观察较强零场分裂作用低频（含S波段以下）1.观察配体所引起的超精细分裂2.弱化g值应变3.线宽变窄，分辨率上升4.减少电四极和核的塞曼作用5.检测g和A的共轴情况6.利于探测比较弱的超精细分裂，如低频ESEEM检测谱仪的灵敏度与微波频率的平方成正比；但是，介电损耗也随之上升，可使调谐难以操作。EPR—基本原理以X波段（~10GHz）为中心，高、低频率的各自优势高频（>68高频高场EPR的优势：分辨率增大，信号强度增大！EPR—基本原理高频高场EPR的优势：分辨率增大，信号强度增大！EPR—基本69L波段:有机体、小动物等大生物和水溶液样品;S波段:生物，水溶液和过渡金属络合物样品;X波段:一般的液、固态样品，是最常用的微波频率；

(波长：~3cm)K波段:过渡金属络合物和多频率工作；Q波段:小样品高灵敏度的测量和多频率的研究；

(波长：~8mm)W波段:极小样品和多频率样品的测量。

EPR—基本原理L波段:有机体、小动物等大生物和水溶液样品;EPR—基本原703、一般系统

从共振条件：h

=gbH

可知，实现共振，有两种办法：

1）

固定，改变H—扫场法2）固定H，改变—

扫频法

EPR—基本原理3、一般系统从共振条件：h=gbH可71

原则上，这两种方法均可实现共振，但由于技术原因，现代EPR谱仪总是采用扫场法，因为磁场的变化可以很容易地做到均匀、连续、易控（细微改变）；改变ν，则难以做到这些。

EPR—基本原理原则上，这两种方法均可实现共振，但由于技术原因，72问题：为什么常见的EPR谱都是一次微分谱？EPR谱的表示方式：横轴H用磁场强度（1mT=10G=28.02495MHz）或者g因子/张量表示，前者方便于分析A张量，后者便于分析g因子。纵轴用DA/DB或任意单位（arbitraryunit,a.u.）表示信号相对强度，或不标。EPR—基本原理问题：EPR谱的表示方式：EPR—基本原理73通常情况下，EPR波谱仪记录的是吸收信号的一次微分线形，即一次微分谱线。

EPR谱的表示方式:横轴用磁场H强度（1mT=10G）或g因子/张量表示。前者方便于分析A张量，后者便于分析g因子。

纵轴用DA/DH或任意单位（arbitraryunit,a.u.）表示信号相对强度，或不标。

EPR—基本原理通常情况下，EPR波谱仪记录的是吸收信号的一次微分线形，即一74问题是：ESR/EPR波谱能给出什么样的信息？

g张量,超精耦合A,零场分裂D和交换耦合J☻EPR/ESR相关问题探讨问题是：ESR/EPR波谱能给出什么样的信息？g张量,75中科大-电子顺磁共振波谱学概论课件76北斗卫星导航系统：由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星构成，目前的运行轨道有地球静止轨道、倾斜地球同步轨道、中地球轨道。

假设将地球看成是原子核，导航卫星则是一个个的未成对电子。北斗卫星导航系统：77相对而言，作为“地球”的原子核，是静止的，各向同性。而作为“导航卫星”的电子，是运动于特定轨道内，具有空间取向性的。卫星（或电子）的描述：1）轨道的空间分布和对称性——g张量2）卫星与地球之间的相互作用、和卫星与地心的平均距离——超精细耦合A3）卫星之间的相互作用——零场分裂D和交换耦合J地球（或原子核）的描述：1）非零核自旋，为NMR和ENDOR所研究2）磁性核的对称性，电四极矩P相对而言，作为“地球”的原子核，是静止的，各向同性。78完整的定态自旋哈密顿函数：电子-核间距离r，表现在SAI项；完整的定态自旋哈密顿函数：79电子–轨道

S-Lg各向同性和各向异性Δg=gx,y,z–ge电子–核自旋

SAIA各向同性和各向异性自旋密度|(Ψ0)2|电子–电子

S1DS2

(强相互作用)零场分裂D电子–电子

S1JS2

(弱相互作用)交换作用J（能级差）核自旋I>1/2IPI电四极矩Q（键长和键角）电子–轨道S-Lg各向同性和各向异性Δg=gx,y,80►EPR解析化学结构►距离探测►化学反应动力学►次级相变►理论计算►……►EPR解析化学结构81化学结构：几何结构，以g、Q张量来判断配位数情况，如常见的4、5、6配位；空间对称性，如常见的立体对称、轴对称、斜方对称等；……电子结构，主要以D、A、J张量来判断配位元素情况，如常见的O、N、S、C及其相连基团等；即电子主要分布于哪个原子的哪个轨道上，这个轨道的空间分布如何，如常见的立体对称、轴对称、斜方对称等；未成对电子数量；……化学结构：82配位数情况，如4、5、6配位，表现为gx,y,z

与ge的偏差程度空间对称性，如立体对称、轴对称、斜方对称等,

表现为gx,gy,gz三者间的大小关系对于配位数少于或等于3的有机自由基，

gx,y,z与ge的偏差非常小，这时g值没有意义(或高频高场)，需要着重分析Aiso,

aniso一般而言，阴、中、阳性的π自由基，溶液谱的giso：g阴

>g中~ge

>g阳配位数情况，如4、5、6配位，表现为gx,y,z与ge83电子结构，主要以D、A、J张量来判断配位元素情况，如常见的O、N、S、C及其相连基团等，有时可以通过超精细分裂A表现在EPR谱中。电子结构，主要以D、A、J张量来判断84利用Aiso可以检测如：自由基俘获、自旋标记、催化中心与底物的结合方式和结合位点等。利用Aiso可以检测如：自由基俘获、自旋标记、催化中心与底物85陈家富jfchen@合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）2015年11月

全校研究生课程—EPR物质(微)结构的波谱与能谱分析

—电子顺磁共振波谱EPR/ESR概论陈家富全校研究生课程—EPR物质(微)结构的波谱与86相关参考书目：1、JohnA.WeilandJamesR.Bolton，ElectronParamagneticResonance—ElementaryTheoryandPracticalApplications,2nd

Edition,John-Wiley,20072、N.M.Atherton,Principlesofelectronspinresonance,EllisHorwood,19933、MarinaBrustolonandElioGiamello,ElectronParamagneticResonance:APractitionersToolkit，John-Wiley,2009……全校研究生课程—EPR相关参考书目：1、JohnA.WeilandJame87裘祖文，电子自旋共振波谱，科学出版社，1980张建中等，自旋标记ESR波谱的基本理论和应用，科学出版社，1987陈贤镕，电子自旋共振实验技术，科学出版社，1986赵保路编著，电子自旋共振技术在生物和医学中的应用，中国科大出版社，2009姜寿亭,李卫编著，凝聚态磁性物理，科学出版社，2006陈慧兰著，高等无机化学，高等教育出版社，2005全校研究生课程—EPR裘祖文，电子自旋共振波谱，科学出版社，1980全校研究生课88相关网站：1、

国际EPR/ESR协会2、

布鲁克公司3、www.jeol.co.jp

日本电子……全校研究生课程—EPR相关网站：1、全校研究生课程—89一、顺磁共振波谱（EPR）基本原理二、EPR研究对象、体系及应用三、EPR波谱四、EPR波谱仪一、顺磁共振波谱（EPR）基本原理90

ElectronParamagneticResonance,EPR,isaspectroscopictechnique,whichdetectsspeciesthathaveunpairedelectrons.

它是直接检测和研究含有未成对电子顺磁性物质的一种波谱学技术。

ItisalsooftencalledESR,ElectronSpinResonance,ESR.电子顺磁共振:ElectronParamagneticRes91电子顺磁共振专业名词的变迁历程：ESR/EPR/EMR电子自旋共振—ElectronSpinResonance电子顺磁共振—ElectronParamagneticResonance电子磁共振—ElectronMagneticResonance若未抵消的电子磁矩来源于外层电子或共有化电子的未配对自旋[如半导体和金属中的导电电子、有机物的自由基、晶体缺陷（如位错）和辐照损伤（如色心）等]产生的未配对电子，则常称为电子自旋共振。若未抵消的电子磁矩来源于未充满的内电子壳层（如铁族原子的3d壳层、稀土族原子的4f壳层），则一般称为（狭义的）电子顺磁共振。电子顺磁共振专业名词的变迁历程：若未抵消的电子磁矩来源于外层92ResonanceResonance93

宇宙是在一次剧烈的大爆炸后产生的。而促使大爆炸产生的根本原因之一，便是共振。当宇宙还处于浑沌的奇点时，里面就开始产生了振荡。起初，这种振荡是非常微弱的。渐渐地，振荡的频率越来越高、越来越强，并引起了共振。最后，在共振和膨胀的共同作用下，导致大爆炸，宇宙在瞬间急剧膨胀、扩张……

共振不仅创造出了宏观的宇宙，而且，微观物质世界的产生，也与共振有着密不可分的干系。

宇宙是在一次剧烈的大爆炸后产生的。而促使大爆炸产生的94中科大-电子顺磁共振波谱学概论课件95农历8月18日钱塘江会发生大潮，这现象是因为月亮的引力所造成的。而只有当太阳、月亮和地球处于同一直线时，这种大潮才会发生，这也是一种共振。

农历8月18日钱塘江会发生大潮，这现象是因为月亮的引力所造成96中科大-电子顺磁共振波谱学概论课件97中科大-电子顺磁共振波谱学概论课件98电子顺磁共振

(EPR/ESR)

历史：1945年，前苏联物理学家，柴伏依斯基/或称扎伏伊斯基

(Zavoisky,N.K.)观察发现的(J.Phys.USSR1945,9,245)。

电子顺磁共振(EPR/ESR)99发现人时间发现内容SternandGerlach1921/22发现电子磁矩的空间量子化Pauli1924提出核磁矩与电子之间存在超相互作用（Hyperfine）UhlenbeckandGoudsmidt1925提出电子的自旋及其磁矩特性BreitandRabi1931计算H原子能级，指出核自旋与电子自旋角动量耦合Rabi,Zacharias,Millman,Kusch1938第一个NMR实验，测量了原子核磁矩Zavoisky1945第一个ESR实验CuCl2.2H2O/4.76mT@133MHzBlochF.,PurcellE.M.1946第一个固体的NMR实验Griffiths1946第一个铁磁共振FMR实验与理论Kittel1947Paulis,Kittel1951第一个反铁磁共振AFMR实验与理论ДофманЯ.

Г.,DresselbausG.1951/53回旋共振的理论与实验MössbauerR.L.,PoundR.V.1958/59Mössbauer效应（无反冲g射线共振吸收）与磁共振研究相关的重要历史事件：

发现人时间发现内容Stern100因磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家:1944年I.S.Rabi1952年F.Bloch,E.M.Purcell1955年W.E.Lamb,P.Kusch1966年A.Kastler1977年J.H.VanVleck1989年N.F.Ramsey,H.G.Dehmelt,W.

Paul1991年

R.R.Ernst2002年

K.Wüthrich2003年

P.C.Lauterbur,S.P.Mansfield2007年A.Fert,P.Grünberg

因磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家:1944年101

1944年诺贝尔物理学奖授予:美国拉比,以表彰他用共振方法纪录原子核磁特性。

1952年诺贝尔物理学奖授予:美国布洛赫和美国马萨诸塞州哈佛大学的珀塞尔,以表彰他们有关核磁精密测量的新方法及由此所做的发现。

1955年诺贝尔物理学奖一半授予:美国的库什(P.Kusech),以表彰他对电子矩阵所作的精密测定（电子磁矩）。

1966年诺贝尔物理学奖授予:法国卡斯特勒，发明并发展用于研究原子内光、磁共振的双共振方法。

1977年诺贝尔物理学奖授予:安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究(J.VanVleck研究了抗磁性和顺磁性的量子力学理论

)。

1989年诺贝尔物理学奖授予:拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在原子钟中的应用(原子束的振荡场);德默尔特（美国）、保尔（德国）发展原子精确光谱学和开发离子陷阱技术(精确测量出正、负电子的g因子

)。

2007年诺贝尔物理学奖授予：法国科学家艾尔伯·费尔和德国科学家皮特·克鲁伯格，表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献（在磁场作用下，磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象，被称为磁阻效应）.1944年诺贝尔物理学奖授予:美国拉比,以表彰他1021991年诺贝尔化学奖授予:瑞士恩斯特（R.Ernst），以表彰发明了傅立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术而获奖。

2002年诺贝尔化学学奖授予:瑞士维特里希，“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。

2003年诺贝尔生理医学奖授予:美国科学家保罗·劳特布尔和英国科学家彼得·曼斯菲尔德。他们在核磁共振成像技术上获得关键性发现，这些发现最终导致核磁共振成像仪的出现。

……!!!1991年诺贝尔化学奖授予:瑞士恩斯特（R.103一、EPR基本原理1、概述电子自旋的磁特性一、EPR基本原理1、概述104JosephJohnThomson

（英国）

TheNobelPrizeinPhysics1906

In1891,theIrishphysicist,GeorgeStoney,believedthatelectricityshouldhaveafundamentalunit.Hecalledthisunittheelectron.TheelectronwasdiscoveredbyJ.J.Thomsonin1897.Theelectronwasthefirstsub-atomicparticleeverfound.Itwasalsothefirstfundamentalparticlediscovered.TheconceptofelectronspinwasdiscoveredbyS.A.GoudsmitandGeorgeUhlenbeckin1925.Theelectronhasthreebasicproperties:electriccharge,massandspin.

EPR—基本原理古德斯密特、乌伦贝克：荷兰-美国物理学家

JosephJohnThomson（英国）

TheN105EPR—基本原理EPR—基本原理106做自旋运动的电子可视为一个微小磁体。EPR—基本原理做自旋运动的电子可视为一个微小磁体。EPR—基本原理107What’stheElectronSpin?电子具有电荷，同时电子像陀螺一样绕一个固定轴旋转，形成有南北极的自旋磁矩。Theelectronspinistheelectron’selectromagneticfieldangularmomentum.

电子自旋即电子的电磁角动量电子内禀运动或电子内禀运动量子数的简称。

EPR—基本原理What’stheElectronSpin?电子具有电108EPR—基本原理EPR—基本原理109关于自旋电子的一些为什么——浅谈与超导电性对抗的磁性元素Fe、Co,、Ni为什么形成化合物就超导了?张裕恒《物理》40卷(2011年)3期EPR—基本原理关于自旋电子的一些为什么EPR—基本原理110TwinkletwinklelittleSpinAreyousingleorareyoutwin?Areyourealorareyoufalse?HowIcraveyourresonantpulse——JOHNA.WEILEPR—基本原理TwinkletwinklelittleSpinEPR111Stern-Gerlach实验：斯特恩-格拉赫实验是电子有内禀的自旋运动的实验基础之一。

EPR—基本原理Stern-Gerlach实验：EPR—基本原理112

ThetechniqueofelectronparamagneticresonancespectroscopymayberegardedasafascinatingextensionofthefamedStern-Gerlachexperiment.UhlenbeckandGoudsmitlinkedtheelectronmagneticmomentwiththeconceptofelectronspinangularmomentum.Rabietal.studiedtransitionsbetweenlevelsinducedbyanoscillatingmagneticfield.Thisexperimentwasthefirstobservationofmagneticresonance.

Stern-Gerlach实验：测量原子的磁矩，让原子束通过不均匀磁场。实验发现原子的磁矩在磁场方向的分量有不同的数值，是因为原子在该方向受不同的作用力，从而在该方向有不同的偏移距离。EPR—基本原理Thetechniqueofelectron113

Thefirstobservationofanelectronparamagneticresonancepeakwasmadein1945whenZavoiskydetectedaradiofrequencyabsorptionlinefromaCuCl2.2H2Osample.Aresonanceatamagneticfieldof4.76mTforafrequencyof133MHz;inthiscasetheelectronZeemanfactorgisapproximately2.Laterexperimentsathigher(microwave)frequenciesinmagneticfieldsof100–300mTshowedtheadvantageoftheuseofhighfrequenciesandfields.EPR—基本原理Thefirstobservationofa114Question：

为什么EPR/ESR研究的对象必须具有未成对(unpaired)的电子呢？EPR—基本原理Question：EPR—基本原理115物质自旋磁矩轨道磁矩电子磁矩+电子运动轨道运动和自旋运动轨道角动量自旋角动量（原子核及核外电子）原子（本征磁矩）EPR—基本原理物质自旋磁矩轨道磁矩电子磁矩+电子运动轨道运116

若轨道中所有的电子都已成对，则它们的自旋磁矩就完全抵消，导致分子无顺磁性。若至少有一个电子未成对，其自旋就会产生自旋磁矩。因此，

EPR研究的对象必须具有未成对电子。EPR—基本原理若轨道中所有的电子都已成对，则它们的自旋磁矩就完全抵消117H=0时,自旋磁矩的方向是随机的,并处于同一个平均能态H≠0时，自旋磁矩就有规则地排列起来（平行外磁场—对应能级的能量较低，或反平行于外磁场—对应能级的能量较高）EPR—基本原理H=0时,自旋磁矩的方向是随机的,并处于同一个平均能态118回答了哪些物质是顺磁性的!

若物质分子（原子、离子）中存在未成对电子，其自旋产生磁矩，亦称永久磁矩。通常情况下，该分子磁矩的方向是随机的，不呈现顺磁性。

当其处于外加磁场中，分子的永久磁矩随外磁场取向，产生与外磁场同向的内磁场，这就是物质顺磁性的来源。EPR—基本原理回答了哪些物质是顺磁性的!若物质分子（原子、离子119物质的磁性宏观物质的磁性是由构成原子的电子、质子、中子所携带的内禀自旋所导致的。电子：电子轨道磁矩，电子自旋磁矩

(本征磁矩)原子核的磁性：质子，中子(无轨道磁矩)。斯特恩OttoStem发现质子磁矩，1943年获Nobel物理奖。EPR—基本原理物质的磁性宏观物质的磁性是由构成原子的电子、质子、中子所携带120EPR—基本原理EPR—基本原理121构成原子的电子、质子、中子都是携带有内禀自旋磁矩，所以宏观物质都毫无一例外的是磁性物质。共线的物质的磁性有：抗磁性顺磁性铁磁性反铁磁性亚铁磁性

物质的磁性是物质的宏观物性，它是分子内部微观结构的总体反映。EPR—基本原理构成原子的电子、质子、中子都是携带有内禀自旋磁矩，所以宏观物122参考书《凝聚态磁性物理》抗磁性顺磁性铁磁性反铁磁性亚铁磁性c:磁化率TC:居里点/温度Θp:顺磁居里点/温度TN:尼尔温度EPR—基本原理参考书《凝聚态磁性物理》抗磁性c:磁化率EPR—基本原理1232、共振条件(ResonantCondition)

顺磁性物质的分子（或原子、离子）中存在未成对电子，其电子自旋角动量Ms不为零。

其中，S是电子总自旋量子数，其值取决于未成对电子的数目n(S=n/2)，式中ћ=h/2π（Planck’sconstanth=6.626×10-34J.s）

Ms在z轴方向（磁场方向）的分量Ms,z是:Ms,z=msh/2π=msћ其中:ms为自旋磁量子数，其值

ms=S，S-1，S-2，…，-SEPR—基本原理2、共振条件(ResonantCondition)124e,z=-γMs,z

=-γmsћ=-gbms

分子磁矩在z方向的分量：

分子磁距在z方向的分量值与ms符号相反!

分子磁矩为：e=γMs

Ms-电子自旋角动量γ-电子旋磁比EPR—基本原理e,z=-γMs,z=-γmsћ=-gbm125γ=gee/2mec,电子旋磁比；

b(μB)—Bohr磁子（轨道角动量最小单位）

b=eћ/2mec=9.2741×10-24J/T;

ge因子：自由电子2.0023，无量纲；

e电子电荷；me电子质量,c光速。其中：EPR—基本原理γ=gee/2mec,电子旋磁比；其中：EPR—基本原理126电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象，即Zeeman分裂

对含有未成对电子的分子而言，其磁矩为

将此分子置于一外磁场中，则与

之间就有相互作用，产生能级分裂，即Zeeman分裂。电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象

——Zeeman分裂EPR—基本原理电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象，即Zeeman分127

1896年8月的一天，荷兰物理学家Zeeman把一盏燃烧着钠的本生灯（Bunsenburner）放到了电磁铁的两极间，奇妙的事情发生了：原本是单一谱线的钠光谱一下裂变成了三条！进一步的研究揭示了这一现象的奥秘：原来钠原子的电子能级在磁场的作用下产生了劈裂，电子在不同能级间的越迁就发出了三种不同波长的光。这一现象被命名为Zeeman劈裂，Zeeman本人也因此获得1902年的诺贝尔物理奖。

相关研究工作表明，不仅仅是电子，自旋数不为零的原子核的能级在磁场中也会产生劈裂，这就是核磁共振的物理基础。EPR—基本原理1896年8月的一天，荷兰物理学家Zeeman把一盏128电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象，即Zeeman分裂

对含有未成对电子的分子而言，其磁矩为

将此分子置于一外磁场中，则与

之间就有相互作用，产生能级分裂，即Zeeman分裂。E=-

·

=-

μHcosθ=-

μzH=-(-gbms)H=gbmsH可见，能级分裂随外磁场H增强而增大!作用能为：EPR—基本原理电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象，即Zeeman分129如果体系中只有一个未成对电子，则ms只取±1/2两个值，其两种可能状态的能量分别是：

Eα=(1/2)gbH；Eβ=-(1/2)gbH

当H=0时，Eα=Eβ=0，自旋电子两种状态具有相同的能量。EPR—基本原理如果体系中只有一个未成对电子，则ms只取±1/2两个值，其130H≠0时：分裂为两个能级Eα和Eβ，能级分裂的大小与H成正比。ΔE=Eα-

Eβ=g

bHEPR—基本原理H≠0时：分裂为两个能级Eα和Eβ，能级分裂的大小与H131

若在垂直于磁场H的方向上施加频率为的电磁波，根据磁能级跃迁的选择定律Δms=±1，h=gbH当满足下面条件（Planck’slaw）：

——EPR共振条件

EPR—基本原理若在垂直于磁场H的方向上施加频率为的电磁波，根据磁132电子发生受激跃迁，即低能级电子吸收电磁波能量而跃迁到高能级中。h=gbHEPR—基本原理电子发生受激跃迁，即低能级电子吸收电磁波能量而跃迁到133关系式β=eћ/2mc，也即β与m有关（成反比），由此也可以了解为什么核磁共振所使用的激发能（射频MHz）比顺磁共振的激发能(微波GHz)要小得多（小~103），因为mN

≈1836me

(βN

=eћ/2mNc)共振条件可简化为：

Hr(Gs)=h/gb=714.484×

(GHz)/g或写:g

=h/Hb