实验报告 微波顺磁共振及核磁共振

微波顺磁共振及核磁共振实验实验报告摘要顺磁共振，称电子自旋共振，指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩，在射频或微波电磁场作用下磁能级之间的共振跃迁现象。电子自旋共振方法在高频率波段上能获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行超低含量分析而不破坏样品结构，且对化学反应无干扰。核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。它是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，也是精确测量磁场和稳定磁场的重要方法之一。关键词核磁共振顺磁共振电子自旋自旋g因子引言顺磁共振（EPR）又称为电子自旋共振（electronparamagnaneticresonance，EPR），首先由苏联物理学家E．K．扎沃伊斯基于1944年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。本实验中，学生将会观察在微波段的EPR现象，测量DPPH自由基中电子的g因子。了解核磁共振的基本原理；学习利用核磁共振校准磁场和测量g因子或核磁矩μ的方法；在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，灵敏度较低，1966年发展起来的脉冲傅里叶变换核磁共振技术，将信号采集由频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度，特点：①共振频率决定于核外电子结构和核近邻组态；②共振峰的强弱决定于该组态在合金中所占的比例；③谱线的分辨率极高。正文1.微波顺磁共振原理由原子物理可知，自旋量子数的自由电子其自旋角动量,h=6.6210-34Js，称为普朗克常数，因为电子带电荷，所以自旋电子还具有平行于角动量的磁矩，当它在磁场中由于受磁感应强度的作用,则电子的单个能级将分裂成2S+1（即两个）子能级,称作塞曼能级,如图7-4-1所示，两相邻子能级间的能级差为(1)式中焦耳/持斯拉,称为玻尔磁子，g为电子的朗德因子,是一个无量纲的量,其数值与粒子的种类有关，如的自由电子g=2.0023。从图7-4-1可以看出,这两个子能级之间的分裂将随着磁感应强度B的增加而线性地增加。自由电子在直流静磁场中,不仅作自旋运动,而且将绕磁感应强度进动,其进动频率为,如果在直流磁场区迭加一个垂直于频率为的微波磁场,当微波能量子的能量等于两个子能级间的能量差时,则处在低能级上的电子有少量将从微波磁场吸收能量而跃进到高能级上去。因而吸收能量为（2）图7-4-1电子自旋共振能级分裂示意图即发生EPR现象,式（2）称为EPR条件。式（2）也可写成（3）将g、、h值代入上式可得1010Hz。此处的单位为T(特斯拉)。如果微波的波长3cm,即10000,则共振时相应的要求在0.3T以上。在静磁场中,当处于热平衡时,这两个能级上的电子数将服从玻尔兹曼分布,即高能级上的电子数与低能级上的电子数之比为（4）一般比小三个数量级,即<<,所以上式可展开为（5）式中=1.3807x焦耳/开,为玻尔兹曼常数,在室温下T=300K,如微波的时,则。可以看出,实际上只有很小一部分电子吸收能量而跃迁,故电子自旋共振吸收信号是十分微弱的。设为总电子数,则容易求得热平衡时二子能级间的电子数差值为（6）由于EPR信号的强度正比于,因比在一定时,式(6)说明温度越低和磁场越强,或微波频率越高,对观察EPR信号越有利。步骤1.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.将磁共振实验仪器的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“调平衡/Y轴”按钮（注：必须按下），“扫场/检波”按钮弹起，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，然后调节“检波灵敏度”旋钮,使磁共振实验仪的调谐电表指示占满度的2/3以上。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，找到电表跌破点，查波长表——刻度表即可确定振荡频率，使振荡频率在9370MHz左右，如相差较大,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,将波长表旋开谐振点。7.调节样品谐振腔的可调终端活塞，使调谐电表指示最小，样品谐振腔对微波信号谐振。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探针，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”旋钮使电表指示在满度的一半左右。10.由小到大调节恒磁场电流，当电流达到1.7到2.1A之间时,示波器上即可出现如图7-4-6所示的电子共振信号.图7-4-611.若共振波形值较小,或示波器图形显示欠佳，可采用以下方法：将可变衰器反时针旋转,减小衰减量，增大微波功率。正时针调节“扫场”旋钮,加大扫场电流。提高示波器的灵敏度。调节微波信号源震荡腔法兰盘上的调节钉，可加大微波输出功率。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可是共振波形成为图5(a)所示的波形。13.若出现图5（b）的双峰波形,调节“调相"旋钮即可使双峰波形重合。14.用高斯计测得外磁场，用公式(2)计算g因子（g因子一般在1.95到2.05之间）.2.核磁共振原理自旋角动量不等于零的原子核都具有自旋磁矩μ，核磁矩μ在静磁场B0作用下，将以一定夹角α和角频率ω0围绕B0作进动。由（2）可知，核磁矩的绝对值为原子核的角动量P与磁矩μ之间关系用一个叫磁旋比γ的物理量连系起来：原子核磁矩的投影为：，投影的最大值即为通常所说的核磁矩。如果有一射频场（B1）其工作频率为υ，以与B0垂直的方向作用于核，且其频率满足共振条件：（11）则将发生核磁矩对射频能量的共振吸收，该核吸收此旋转磁场能量，实现能级间的跃迁，即发生核磁共振，此时（12）（13）为普朗克常数。=6.624×10-27尔格·秒。图1观察核磁共振信号原理图当发生核磁共振（NMR）时，原子核系统对射频场产生能量吸收，为了观察到磁共振现象，必须把吸收的能量转化为可以观察到的电信号。检测核磁共振现象的基本原理如图1所示。把样品放在与静磁场垂直的射频线圈L1中，线圈L1与可调电容C3构成振荡检波器的振荡回路，振荡检波器产生射频场B1，改变电容C3可使射频场B1的频率发生变化，当其频率满足共振条件时，样品中的原子核系统就吸收线圈中的射频场能量，使振荡器回路的Q值下降，导致振荡幅度下降，振荡幅度的变化由检波器检出，并经放大送到示波器的y轴显示。为了不断满足共振条件，必须使静磁场在一定范围内不断往返变化（称之为扫场），使磁场在共振点附近周期地往返变化，不断满足共振条件，扫场信号源和扫场线圈就是对静磁场进行扫场用的，同时又把扫场信号输入到示波器的X轴（即外同步端），使示波器的扫描与磁场扫场同步，以保证示波器上观察到稳定的共振信号。振荡器工作应在接近临界状态，通过调节“工作电流”旋钮，使振荡器处于边限振荡状态，以提高核磁共振信号的检测灵敏度，并避免信号的饱和。扫场信号采用50赫兹交流信号，通过扫场线圈，在静磁场B0上叠加一个小的50赫不变磁场，实现扫场作用。步骤1.观察仪器，连接线路2.用特斯拉计测量磁场的强度，单位为T3.计算氢核共振频率4.将CuSO4样品放入振荡线圈，调节样品在磁场中位于最