電子自旋共振基本原理和實驗方法的實驗

1、電子自旋共振電子自旋共振(Electron Spin Resonance，縮寫為ESR)，又稱順磁共振(Paramagnetic Resonance)是：處于恒定磁場中的電子自旋磁矩在射頻電磁場作用下發(fā)生的一種磁能級間的共振躍遷現(xiàn)象。1944年由前蘇聯(lián)的柴伏依斯基首先發(fā)現(xiàn)。ESR已成功地被應用于順磁物質的研究，目前它在化學、物理、生物和醫(yī)學等各方面都獲得了極其廣泛的應用。例如發(fā)現(xiàn)過渡族元素的離子；研究半導體中的雜質和缺陷；離子晶體的結構；金屬和半導體中電子交換的速度以及導電電子的性質等。所以，ESR也是一種重要的控物理實驗技術。實驗目的：1、學習電子自旋共振的基本原理和實驗方法； 2、觀察并研

2、究電子自旋共振現(xiàn)象，測量DPPH中電子的朗德因子g；實驗重點：電子自旋共振原理的掌握實驗難點：頻率為9370Hz的微波的調節(jié)和駐波的調節(jié) 實驗原理：原子的磁性來源于原子磁矩，由于原子核的磁矩很小，可以略去不計，所以原子的總磁矩由原子中各電子的軌道磁矩和自旋磁矩所決定。在本單元的基礎知識中已經談到，原子的總磁矩J與PJ總角動量之間滿足如下關系： B J= - g PJ = PJ, h式中B 為玻爾磁子，h為約化普朗克常量，由上式得知，回磁比 B = - g （9.3.1） h按照量子理論，電子的L-S耦合結果，朗德因子 J(J+1)+S(S+1)-L(L+1) g = 1+ （9.3.2） 2J

3、(J+1)由此可見，若原子的磁矩完全由電子自旋磁矩貢獻（L=0，J=S），則g=2。反之，若磁矩完全由電子的軌道磁矩所貢獻（S=0，J=L），則g=1。若自旋和軌道磁矩兩者都有貢獻，則g的值介乎1與2之間。因此，精確測定g的數(shù)值便可判斷電子運動的影響，從而有助于了解原子的結構。將原子磁矩不為零的順磁物質置于外磁場B0中，則原子磁矩與外磁場相互作用能由式（9.0.10）決定，那么，相鄰磁能級之間的能量差 E=hB0 （9.3.3）如果垂直于外磁場B0的方向上施加一幅值很小的交變磁場2 B1cost，當交變磁場的角頻率滿足共振條件 h=E=hB0 （9.3.4）時，則原子在相鄰磁能級之間發(fā)生共振躍

4、遷。這種現(xiàn)象稱為電子自旋共振，又叫順磁共振。在順磁物質中，由于電子受到原子外部電荷的作用，使電子軌道平面發(fā)生旋進，電子的軌道角動量量子數(shù)L的平均值為0，當作一級近似時，可以認為電子軌道角動量近似為零，因此順磁物質中的磁矩主要是電子自旋磁矩的貢獻。由9.3.1和9.3.4兩式可解出g因子： g=hf0/BB0 （式中f0為共振頻率，h為普朗克常數(shù)）本實驗的樣品為DPPH(Di-Phehcryl Picryl Hydrazal)，化學名稱是二苯基苦酸基聯(lián)氨，其分子結構式為（C6H5）2N-NC6H2·（NO2）2，如圖9.3.1所示。它的第二個氮原子上存在一個未成對的電子，構成有機自由基

5、，實驗觀測的就是這灰電子的磁共振現(xiàn)象。實際上樣品是一個含有大量不成對的電子自旋所組成的系統(tǒng)，它們在磁場中只分裂為二個塞曼能級，在熱平衡時，分布于各塞曼能級上的粒子數(shù)服從波耳茲曼分布，即低能級上的粒子數(shù)總比高能級的多一些，因此，即使粒子數(shù)因感應輻射由高能級躍遷到低能級的概率和粒因感應吸收由低能級躍遷到高能級的概率相等，但由于低能級的粒子數(shù)比高能級的多，也是感應吸收占優(yōu)勢，從而為觀測樣品的磁共振吸收信號提供可能性。隨著高低能級上粒子差數(shù)的減少，以致趨于零，則看不到共振現(xiàn)象，即所謂飽和。但實際上共振現(xiàn)象仍可繼續(xù)發(fā)生，這是弛豫過程在起作用，弛豫過程使整個系統(tǒng)有恢復到玻耳茲曼分布的趨勢，兩種作用的綜合效

6、應，使自旋系統(tǒng)達到動態(tài)平衡，電子自旋共振現(xiàn)象就能維持下去。電子自旋共振也有兩種弛豫過程，一是電子自旋與晶格交換能量，使得處在高能級的粒子把一部分能量傳給晶格，從而返回低能級，這種作用稱為自旋-晶格弛豫。由自旋-晶格弛豫時間用T1表征，二是自旋粒子相互之間交換能量，使它們的旋進相位趨于隨機分布，這種作用稱自旋-自旋弛豫。由自旋-自旋弛豫時間用T2表征。這個效應使共振譜線展寬，T2與譜線的半高寬（見圖9.0.5）有如下關系 2 （9.3.5） T2故測定線寬后便可估算T2的大小。觀察ESR所用的交變磁場的頻率由恒定磁場B0的大小決定，因此可在射頻段或微波段進行ESR實驗。實驗裝置微波ESR譜儀由產

7、生恒定磁場的電磁鐵及電源，產生交變磁場的微波源和微波電路，帶有待測樣品的諧振腔以及ESR信號的檢測和顯示系統(tǒng)等組成。1、微波源：由于固態(tài)微波源壽命長、使用簡單、輸出的微波頻率較穩(wěn)定等優(yōu)點，是最常用的一種微波信號發(fā)生器。2、可調的矩形諧振腔?？烧{的矩形諧振腔結構如圖9.3.5所示，它既為樣品提供線偏振磁場，同時又將樣品吸收偏振磁場能量的信息傳遞出去。諧振腔的末端是可移動的活塞，調節(jié)其位置，可以改變諧振腔的長度，腔長可以從帶游標的刻度連桿讀出。為了保證樣品處于微波磁場最強處，在諧振腔寬邊正中央開了一條窄槽，通過機械傳動裝置可以使樣品處于諧振腔中的任何位置，樣品在諧振腔中的位置可以從窄邊上的刻度直接

8、讀出。該圖還畫出了矩形諧振腔諧振時微波磁力線的分布示意圖。3、魔T。魔T的作用是分離信號，并使微波系統(tǒng)組成微波橋路，其結構如圖9.3.6所示。按照其接頭的工作特性，當微波從任一臂輸入時，都進入相鄰兩臂，而不進入相對臂。4、配器。單螺調配器是在波導寬邊上開窄槽，槽中插入一個深度和位置都可以調節(jié)的金屬探針，當改變探針穿伸到波導內的深度和位置時，可以改變此臂反射波的幅值和相位，該元件的結構示意圖如圖9.3.7所示。實驗內容：1、按圖一所示連接系統(tǒng)，將可變衰減器順時針旋至最大，開啟系統(tǒng)中各儀器的電源，預熱20分鐘。2、將旋鈕和按鈕作如下設置：“磁場”逆時針調到最低，“掃場”逆時針調到最低。按下“檢波”

9、按鈕，“掃場”按鈕彈起，此時磁共振實驗儀處于檢波狀態(tài)（注：切勿同時按下）。3、將樣品位置刻度尺置于90mm處，樣品應置于磁場正中央。4、將單螺調配器的探針逆時針旋至“0”刻度。5、信號源工作于等幅工作狀態(tài)，調節(jié)可變衰減器使調諧電表有指示，然后將“檢波靈敏度”旋鈕指示最大控制磁共振實驗儀的調諧指示占滿度的1/2左右。6、用波長表測定微波信號的頻率，方法是：旋轉波長表的測微頭，找到電表跌落點，查波長表刻度表即可確定振蕩頻率，若振蕩頻率不在9370MHz，應調節(jié)信號源的振蕩頻率，使其接近9370MHz的振蕩頻率。測定完頻率后，需將波長表刻度旋開諧振點。7、為使樣品諧振腔對微波信號諧振，調節(jié)樣品諧振腔

10、的可調終端活塞，使調諧電表指示最小，此時，樣品諧振腔中的駐波分布如圖二所示。8、為了提高系統(tǒng)的靈敏度，可減小可變衰減器的衰減量，使調諧電表顯示盡可能提高。然后，調節(jié)魔T另一支臂單螺調配器指針，使調諧電表指示更小。若磁共振儀電表指示太小，可調節(jié)靈敏度，使指示增大。9、按下“掃場”按鈕。此時調諧電表指示為掃場電流的相對指示，調節(jié)“掃場”旋鈕可改變掃場電流。10、順時針調節(jié)恒磁場電流，當電流達到1.651.79A時，示波器上即可出現(xiàn)如圖三（b）所示的電子共振信號。11、若共振波形峰值較小，或示波器圖形顯示欠佳，可采用四種方式調整：11.1將可變衰減器反時針旋轉，減小衰減量，增大微波功率。11.2正時

11、針調節(jié)“掃場”旋鈕，加大掃場電流。11.3提高示波器的靈敏度。11.4調節(jié)微波信號源振蕩腔法蘭盤上的調節(jié)釘，可加大微波輻射功率。12、若共振波形左右不對稱，調節(jié)單螺調配器的深度及左右位置，或改變樣品在磁場中的位置，通過微調樣品諧振腔，使共振波形形成。13、調節(jié)“調相”旋鈕即可使雙共振峰處于合適的位置。14、用高斯計測得外磁場B0，用公式 hf0 g= BB0計算g因子。（g因子一般在1.95-2.05之間）。15、為了得到腔體的波導波長g，可移動樣品的位置，兩信號之間距離即為g/2。注意事項：1、樣品應放在磁場的正中間 2、調節(jié)頻率時，應找到陷波點實驗數(shù)據(jù)：f=9370MHz B=0.34T 電子自旋共振實驗總結: 通過做