电子自旋共振实验报告

大学物理仿真实验报告电子自旋共振实验报告杨帆

化工21

2121502022电子自旋共振实验报告、实验目的1．了解自旋共振的基本原理和实验方法2．观察和研究电子自旋共振现象，测量二苯基—苦基肼基中电子的朗德因子g因子二、实验内容1.观测电子自旋共振的共振波形，测量共振情况下的磁场B,0并根据磁场计算g因子2．改变微波的频率，测量不同频率下的磁场B，并计算不同频0率下的g因子三、实验原理1．电子的轨道磁矩电子的轨道磁矩为e一― Pl 2mleP为电子轨道运动的角动量，e为电子电荷，m为电子质量。轨le道角动量和轨道磁矩分别为P=JP=J(l+1)巴=eh2．电子的自旋磁矩P为电子自旋运动的角动量，e为电子电荷，m为电子质量。自se旋角动量和自旋磁矩分别为P=P=Qs(s+1)h2兀eh由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍3．电子的总磁矩对于单电子的原子，总磁矩——与总角动量P之间有jje—

—二一gP

jmje其中g=1+j((+j1}G+J。对单纯轨道运动g为】，对于单纯自旋运动g为2。引入旋磁比Y，即有————=VP

jjeV=-g——me在外磁场中P和——都是量子化的，因此P在外磁场方向上投影为jjjmhP二 z2兀(m二-j,-(j-】),•••,j-l,j)相应的磁矩i——在外磁场方向上的投影为jVmh—=—z 2兀(m=-j,-(j-1),…,j-1,j)

由以上公式可得由以上公式可得mgehp=— =_mg卩z 4兀m Bep二出为玻尔磁子B4兀me4．电子自旋共振（电子顺磁共振）由于原子总磁矩口的空间取向是量子化的，因此原子处在外磁场jB中时，磁矩与外磁场的相互作用也是量子化的，为E=-PUB一四一mgpB

j 2兀 b相邻磁能级之间的能量差为AE严2兀当向能量差为AE二竺的原子发射能量为hv二竺光子时，原子将这

2兀 2兀个光子跃迁到高磁能级，这是发生在原子中的共振吸收跃迁现象，台果磁能级分裂是由电子自旋提供的就是“电子自旋共振”。因此，电子自旋共振条件是光子的圆频率满足①二丫B5．电子自旋共振研究的对象如果分子中的原子所有的电子轨道都已成对填满了电子，自旋磁矩为0，没有固有磁矩，不会发生电子自旋共振。因此，要观察电子自旋共振要选取原子中没有完全成对的物质。在这个实验中，我们采用顺磁物质为DPPH（二苯基-苦基肼），它的分子式为(CH)N-NCH(no)，它的结构式如图所示。6526223四、实验装置信号源电源，微波信号源，隔离器，衰减器，波长表，魔T,调配器，负载，样品谐振腔，励磁电源，扫场，示波器，检波器，微安表，电磁铁五、实验过程1．实验准备2•调节微波信号频率为9370Mhz，然后进行校对3．使样品谐振腔对微波信号谐振4．观察电子自旋共振的波形测量共振磁场B改变微波信号的频率，重复以上步骤测量共振磁场B根据每次的测量值计算出g因子六、实验记录因为测量磁感应强度时特斯拉计最后一位示数总在变动，因此只记录了到了倒数第二位微波频率(GHz)磁场的磁感应强度(T)9.000.3239.200.3289.370.3349.600.342

ehBY=g-—

2m

e

h

ng=一

卩BhBB取剩下三组数据的平均值为g取剩下三组数据的平均值为g=2.0024分别求得的g因子的值为微波频率(GHz)磁场的磁感应强度(T)g因子的值9.000.3231.98869.200.3282.00189.370.3342.00219.600.3422.0032由数据可以看出第一组数据的误差很大，因此舍去不用。与理论值2.0023比较得相对误差为坐=0.004%g由此可以看出这个实验的误差很小七、思考题1．电子自旋和核自旋的量子特征为什么不同？答：电子的磁矩比较大，核的磁矩相对电子小很多，因此电子的共振频率比核自旋共振频率要大得多。并且电子自旋受到另一个电子的影响比较大，而两个原子核之间的影响则要小得多。2．在外加磁场差不多的情况下，核磁共振可以用射频电磁波激发产生，而电子自旋共振需要用微波激发？答：由g=JhL和①二丫B可知，当磁场大小相同时共振时的共振频卩B率与粒子的磁矩有关，电子的磁矩比原子核的磁矩大得多，因此共振频率大得多，需要更高的波来激发。3．什么物质都能产生电子自旋共振吗？答：不是所有的物质都能产生电子自旋共振。能够产生电子自旋共振的物质必须有未成对的电子，