电子自旋实验报告

7/7电子自旋共振学号：09XXXXX姓名：xxx班别：xxx合作人：xxx实验日期：xxx自我评价：优实验目的1、了解电子自旋共振理论。2、掌握电子自旋共振的实验方法。3、测定DPPH自由基中电子的g因子和共振线宽。二、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μJ与PJ总角动量之间满足如下关系：式中μB为玻尔磁子，h为约化普朗克常量，由上式得知，回磁比（1）按照量子理论，电子的L-S耦合结果，朗德因子（2）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=γhB0（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2B1cosωt，当交变磁场的角频率ω满足共振条件hω=△E=γhB0（4）时，则原子在相邻磁能级之间发生共振跃迁。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(1)和(4)两式可解出g因子：g=hf0/μBB0（式中f0为共振频率，h为普朗克常数）本实验的样品为DPPH(Di-PhehcrylPicrylHydrazal)，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，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△ω有如下关系2△ω≈―（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。三、实验仪器图1电子顺磁共振仪构成图图2电子顺磁共振仪前面板图3微波系统装配图1－微波源2－隔离器3－环型器4

－扭波导5－直波导6—样品7—短路活塞8—检波器四、实验内容见预习报告。五【实验数据记录及处理】测量磁场与励磁电源电压的关系，测量数据关系如下：表一：测量磁场与励磁电源电压的关系（第一次数据2011/11/07）U/V0.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6B/Gs327532813286329132973302330733143319332533313336U/V2.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0B/Gs334433493356336133673373337933843391339734023408表二：测量磁场与励磁电源电压的关系（第二次数据2011-11-14）U/V0.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6B/Gs328732933300330533103317332333293335334133473354U/V2.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0B/Gs336033653372337733843390339634023408341434203426分别用Origin线性拟合，得出U-B关系曲线，如图4示：LinearRegressionforDATA2_B:Y=A+B*XParValue ErrorA 3261.80261 0.40131B 29.19348 0.13226R SD N P0.99977 0.89704 24 <0.0001LinearRegressionforDATA2_B:Y=A+B*XParValue ErrorA 3274.70116 0.19872B 30.280430.06549R SD N P0.99995 0.44419 24 <0.0001图4量磁场与励磁电源电压的关系图由图1知，U-B关系曲线线性拟合度很好，故实验时可通过测量U得到相应的B值。由图1写出前后两次测量结果的拟合关系：B=3261.80+29.19×UB=3274.70+30.28×U（2）其中（1）式为第一次数据2011-11-07所得，（2）式为第二次数据2011-11-14所得，其中U的单位为V，B的单位为Gs。分析：（1）、（2）两式结果相差较大的原因主要有以下几点：=1\*ROMANI：两次测量环境温度、湿度不相同，而温度和湿度会影响样品的电磁性质；=2\*ROMANII：两次测量样品放置位置及角度不一样；DHHP样品朗德因子gJ的计算。（1）使用第一次测量数据计算：示波器设置为16mv；扫描时间为1ms；微波频率为f=9.360GHz将示波器波形调至最大及对称，测量得到共振时电压为：U=2.35V由式（1）计算得相应共振磁场为：B=3261.80样品的朗德因子为：g其中波尔磁子μj=5.78838263*10^(-11)MeVT-1，普朗克常数h=6.6260755*10^(-34)J*s,电子电荷e=1.60217733*10^(-19)。（2）使用第二次测量数据计算：示波器设置为16mv；扫描时间为1ms；微波频率为f=9.360GHz将示波器波形调至最大及对称，测量得到共振时电压为：U=1.99V共振时磁场为：B=3274.70样子的朗德因子为：g取次朗德因子的测量平均值：g两次测量标准偏差为：σ=相对误差为：E=分析：两次测量相对误差很小，测量结果较为准确。可以认为样品的朗德因子的大小与样品的原子结构有关，与外界环境的湿度及温度无关。计算波导波长实验测得共振点的位置如下：表三：测量共振点L123位置（mm）7.85330.20552.738λ2波导波长为：λ=44.98mm计算共振半高宽调节不同励磁电压，调节相应波形使波形对称等高，测量数据如下表：表四：测量半共振半高宽U/V1.982.082.182.282.302.322.342.362.38Δv/mV12.4011.8010.808.357.707.006.305.203.80U/V2.402.422.412.402.372.352.332.312.23Δv/mV2.601.451.802.654.555.606.957.9010.05U/V2.132.031.931.881.831.781.731.681.63Δv/mV11.3511.9012.5012.6012.8512.8512.3511.107.30U/V1.651.621.611.601.591.581.571.561.54Δv/mV9.206.205.154.153.002.151.801.251.10用Origin作出U-Δv关系曲线，并进行洛伦兹拟合得到下图：图5：手动测量共振半高宽洛伦兹拟合曲线由Origin的洛伦兹拟合曲线的Worksheet找出极点为（1.98746，13.8709），半高点为（1.65028，6.9355）和（2.30068，7.01225），由此可求得半高宽为：∆∪=2.30068-1.65028=0.6504V转换成磁场为：∆B=30.28×0.6504分析：由图2，未拟合前，最大共振频率与测量朗德因子时所得的U=1.99V相差较大；拟合后曲线的共振频率U=1.9875V和在测量朗德因子中的共振频率U=1.99V相近。图中洛伦兹曲线和测量曲线误差较大，误差来源主要为：=1\*ROMANI.测量时为增补测量点没有按张统一顺序测量；=2\*ROMANII.测量中调节波形对称时存在不可避免的主观误差；=3\*ROMANIII.随着测量的进行样品的温度升高，从而影响实验的测量。【思考与讨论】在微波段电子自旋共振实验中，也需要消除地磁场的影响吗？为什么？答：不需要。在微波段发生的电子自旋共振的磁场强度B比较强（B>3000Gs），查资料得地磁场强度B地为0.5~0.6Gs，故B≫B地扫场信号在电子自旋共振观测中起什么作用？答：恒定磁场线圈及其电流提供产生能级赛曼分裂的恒定外磁场，扫场线圈及其电源产生可与外磁场叠加的（低频）调制场。扫场信号就是励磁电源产生的磁场，它的输入显示电子自旋共振的磁场强度。3．你观察到的ESR信号是什么样子的？影响对称性的因素有哪此？分析哪些因素对你的实验结果影响较大？答：ESR信号图形如右图所示：其中右侧为李萨如图形。影响对称性的因素有：励磁电压影响横向对称性、短路活塞（即波导长）影响竖向对称性。其中励磁电压对实验结果影响较大