近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告2實(shí)驗(yàn)名稱：鐵磁共振指導(dǎo)教師：鮑德松專業(yè)：物理班級(jí)：求是物理班1401姓名：朱勁翔學(xué)號(hào)：3140105747實(shí)驗(yàn)日期：2016.10.19實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1. 初步掌握用微波諧振腔方法觀察鐵磁共振現(xiàn)象。 2掌握鐵磁共振的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法。 3測(cè)量鐵氧體材料的共振磁場(chǎng),共振線寬，旋磁比以及因子和弛豫時(shí)間。實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)磁學(xué)理論可知，物質(zhì)的鐵磁性主要來源于原子或離子的未滿殼層中存在的非成對(duì)電子自旋磁矩。一塊宏觀的鐵磁體包含有許多磁疇區(qū)域，在每一個(gè)區(qū)域中，自旋磁矩在交換作用的耦合下彼此平行排列，產(chǎn)生自發(fā)磁化，但各個(gè)磁疇之間的取向并不完全一致，只有在外磁場(chǎng)的作用下，鐵磁體內(nèi)部的所有自旋

2、磁矩才保持同一方向，并圍繞著外磁場(chǎng)方向作進(jìn)動(dòng)。當(dāng)鐵磁物質(zhì)同時(shí)受到兩個(gè)相互垂直的磁場(chǎng)即恒磁場(chǎng)和微波磁場(chǎng)的作用后，磁矩的進(jìn)動(dòng)情況將發(fā)生重要的變化。一方面，恒磁場(chǎng)使鐵磁場(chǎng)物質(zhì)被磁化到飽和狀態(tài)，當(dāng)磁矩原來平衡方向與有夾角時(shí)，使磁矩繞它的方向作進(jìn)動(dòng)，頻率為；另一方面，微波磁場(chǎng)強(qiáng)迫進(jìn)動(dòng)的磁矩隨著的作用而改變進(jìn)動(dòng)狀態(tài)，的進(jìn)動(dòng)頻率再不是了，而是以某一頻率繞著恒磁場(chǎng)作進(jìn)動(dòng)，同時(shí)由于進(jìn)動(dòng)過程中，磁矩受到阻尼作用，進(jìn)動(dòng)振幅逐漸衰減，如圖（81）所示，微波磁場(chǎng)對(duì)進(jìn)動(dòng)的磁矩起到不斷的補(bǔ)充能量的作用。當(dāng)維持微波磁場(chǎng)作用時(shí)，且微波頻率=時(shí)，耦合到的能量剛好與進(jìn)動(dòng)時(shí)受到阻尼消耗的能量平衡時(shí)，磁矩就維持穩(wěn)定的進(jìn)動(dòng)，如圖（82）

3、所示。鐵磁共振的原理圖如圖（83）所示。 在恒磁場(chǎng)（即）和微波磁場(chǎng)（即）的作用下，其進(jìn)動(dòng)方程可寫為：= -（×）+ (8-1)上式中為旋磁比，為朗德因子，（即）為恒磁場(chǎng)（即）和微波磁場(chǎng)（即）合成的總磁場(chǎng)，為阻尼力矩，此系統(tǒng)從微波磁場(chǎng)中所吸收的全部能量，恰好補(bǔ)充鐵磁樣品通過某機(jī)制所損耗的能量。阻尼的大小還意味著進(jìn)動(dòng)角度減少的快慢，減少得快，趨于平衡態(tài)的時(shí)間就短，反之亦然。因此這種阻尼可用弛豫時(shí)間來表示，的定義是進(jìn)動(dòng)振幅減小到原來最大振幅的所需要的時(shí)間。 圖（81）進(jìn)動(dòng)振幅逐漸衰減 圖（82）微波磁場(chǎng)作用抵消阻尼，趨于平衡 圖（83） 鐵磁共振原理圖 根據(jù)磁學(xué)理論可知，磁導(dǎo)率與磁化率之間

4、有如下關(guān)系： = 1 + 4 (8-2)在交變磁場(chǎng)作用下，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)磁矩的運(yùn)動(dòng)有阻尼作用，所以磁性材料中的磁場(chǎng)（即）的變化落后于交變磁場(chǎng)的變化，要用復(fù)數(shù)表示：=+i，其中實(shí)部決定磁性材料磁能的貯存，虛部反映交變磁能在磁性材料中的損耗。當(dāng)改變恒磁場(chǎng)（即）或微波頻率時(shí)，我們總能發(fā)現(xiàn)在某一條件下，鐵磁體會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大的磁損耗，即出現(xiàn)最大值，也就是進(jìn)動(dòng)的磁矩會(huì)對(duì)微波能量產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的吸收，以補(bǔ)充由此引起的能量損耗，這就是鐵磁共振現(xiàn)象。2.1 鐵磁共振條件由于鐵磁物質(zhì)的磁化理論很復(fù)雜，因此，我們實(shí)驗(yàn)中采用鐵氧體小球樣品作實(shí)驗(yàn)。其退磁因子各向同性，退磁場(chǎng)作抵消，對(duì)進(jìn)動(dòng)不產(chǎn)生影響。最簡(jiǎn)單的情況，小球

5、形樣品滿足磁共振的基本原理公式：(8-3)鑒于鐵磁性反映的是電子自旋磁矩的集體行為，2，為進(jìn)動(dòng)頻率，其頻段估算在微波范圍內(nèi)，因此選擇在此頻段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 2.2 鐵磁共振吸收譜線和線寬磁矩在進(jìn)動(dòng)時(shí)總要受到由磁損耗所表現(xiàn)出來的阻尼作用。實(shí)用上鐵磁諧振損耗并不用來說明，而用鐵磁共振吸收線寬來表示。固定微波頻率不變，鐵氧體在恒磁場(chǎng)和微波磁場(chǎng)的共同作用下，隨的變化曲線稱為鐵磁共振吸收譜線，如圖（84）所示。在共振時(shí)有最大值，令=/2處的磁場(chǎng)分別為和，則=-就是鐵磁共振線寬。一般愈窄，磁損耗愈低。值的大小反映了磁損耗的大小，測(cè)量對(duì)于研究鐵磁質(zhì)的機(jī)理和提高微波鐵氧體器件十分重要。圖（84） 鐵磁共振吸收譜線

6、和線寬 圖（85） 曲線在實(shí)驗(yàn)中往往不是直接測(cè)量與的關(guān)系來確定值，而是測(cè)量微波功率通過諧振腔后的功率變化來確定值的，通過諧振腔后的功率隨的變化見圖（85）所示。圖中是遠(yuǎn)離鐵磁共振區(qū)時(shí)諧振腔的輸出功率，是鐵磁共振時(shí)輸出功率，是半功率點(diǎn)（即相當(dāng)于=/2處的輸出功率）。一般情況下，正確的考慮了頻散效應(yīng)的影響，點(diǎn)由下式確定：=(8-4)根據(jù)（84）式得，可由曲線求出值。3弛豫時(shí)間根據(jù)磁學(xué)理論可知，與之間有如下關(guān)系：=(8-5)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：首先用特斯拉計(jì)測(cè)出樣品所在的磁鐵中心磁場(chǎng)和電磁鐵激勵(lì)電流的關(guān)系。(可不做)實(shí)驗(yàn)裝置如圖（86）所示，是一種較簡(jiǎn)便，應(yīng)用較廣的鐵磁共振實(shí)驗(yàn)裝置。由速調(diào)管產(chǎn)生微波信號(hào)

7、，經(jīng)隔離器和波長(zhǎng)表后到達(dá)通過式諧振腔。待測(cè)樣品放在腔中微波磁場(chǎng)強(qiáng)度最大（為什么？）處，電磁鐵產(chǎn)生的恒磁場(chǎng)與微波磁場(chǎng)垂直。通過諧振腔輸出的微波信號(hào)經(jīng)晶體檢波器和檢流計(jì)進(jìn)行測(cè)量。只要微波二極管遵循平方律檢波關(guān)系，則其檢波電流與微波功率成正比，因此檢流計(jì)檢到的電流（即檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)的刻度格數(shù)）就是通過諧振腔后的相對(duì)微波功率。 1實(shí)驗(yàn)前必須熟悉各微波元件的性能及使用方法。注意：傳輸式諧振腔兩端都必須加上帶耦合孔的銅片，接入隔離器時(shí)要注意其方向。 2在插入待測(cè)鐵磁體小球到諧振腔之后，調(diào)節(jié)微波信號(hào)頻率，使通過諧振腔后的功率輸出最大，即通過式諧振腔處于諧振狀態(tài)，且在這過程中觀察輸出功率變化。 3調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器，

8、使檢流計(jì)G中觀察到輸出最大，然后適當(dāng)選定衰減器位置作為的參考點(diǎn)。 4開啟磁場(chǎng)電源，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流，進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量和關(guān)系，根據(jù)關(guān)系，畫出關(guān)系曲線求出共振線寬，共振磁場(chǎng)，旋磁比以及因子和弛豫時(shí)間。實(shí)驗(yàn)器材及注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)器材：鐵磁共振儀、速調(diào)管、示波器、檢流計(jì)、高斯計(jì)等 圖（86） 鐵磁共振儀實(shí)驗(yàn)裝置注意事項(xiàng)：數(shù)據(jù)處理處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果：?jiǎn)尉w共振圖片：多晶體共振圖片：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：1.實(shí)驗(yàn)公式與結(jié)果多晶體結(jié)果=8.944MHzBr=317.3mT;由可得：g=2.01；旋磁比，=1.77×1011C/Kg；P=80,Pr=25,P12=2PPrP+Pr=38.1;B=20.8mT;弛豫時(shí)間=5.

9、4×10-10s.單晶體結(jié)果=8.944MHzBr=320.0mT;由可得：g=2.00；旋磁比，=1.76×1011C/Kg；P=87,Pr=3,P12=2PPrP+Pr=5.8;B=0.8mT;弛豫時(shí)間=1.42×10-8s.2.數(shù)據(jù)表格數(shù)據(jù)表格見PDF文件誤差分析：1、頻散效應(yīng)未修正帶來的影響；2、測(cè)定微波頻率時(shí)的誤差；3、檢波電流表的讀數(shù)誤差；4、高斯計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)引入的誤差；5、測(cè)定電流和磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)關(guān)系時(shí)引入的誤差；思考題與解答：1 評(píng)述鐵磁共振與微波電子自旋共振、核磁共振之間有什么相同與不同之處？2 測(cè)量磁共振線寬要保證哪些條件？它的物理意義是什么？3

10、本實(shí)驗(yàn)中傳輸式諧振腔為什么取偶數(shù)？4 樣品磁導(dǎo)率的和分別反映什么？ 5 樣品磁導(dǎo)率的會(huì)在實(shí)驗(yàn)中造成什么影響?6 本實(shí)驗(yàn)是怎樣測(cè)量磁損耗的？7 如何精確消除頻散效應(yīng)？ 8 實(shí)驗(yàn)中是如何處理頻散效應(yīng)的？ 9 實(shí)驗(yàn)中磁損耗是通過什么來體現(xiàn)的？答：1、 相同點(diǎn)：都是由于原子的自旋磁矩與外磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的塞曼能級(jí)分裂，當(dāng)在與外磁場(chǎng)方向垂直的方向上再加上一個(gè)某一頻率的電磁波，當(dāng)電磁波的能量與塞曼能級(jí)間距相匹配時(shí)，就會(huì)發(fā)生物質(zhì)從電磁波吸收能量的共振現(xiàn)象。反應(yīng)的原理均為hv=gB。不同點(diǎn)：與外磁場(chǎng)相互作用的原子的自旋磁矩的主要來源不同。電子自旋共振中原子的自旋磁矩的主要來源是順磁質(zhì)中未成對(duì)的電子自旋磁矩；

11、核磁共振中原子的自旋磁矩的主要來源是核自旋磁矩。；鐵磁共振中原子的自旋磁矩的主要來源是鐵磁質(zhì)中電子自旋磁矩。因此，其主要區(qū)別就在于其共振時(shí)的電磁波的頻率范圍以及靈敏度不同。核磁矩比電子磁矩約小三個(gè)數(shù)量級(jí)，故核磁共振的頻率范圍和靈敏度都比電子磁共振的低得多。2、 要保證P-B曲線在共振頻率兩邊基本對(duì)稱。一般愈窄，磁損耗愈低。值的大小反映了磁損耗的大小3、 使得微波在諧振腔內(nèi)發(fā)生諧振，從而在檢波電流處得到最小的電流。4、 樣品磁導(dǎo)率的和分別反映在鐵磁質(zhì)中的磁場(chǎng)貯能以及損耗能。5、 會(huì)使諧振腔的諧振頻率發(fā)生偏移，即頻散效應(yīng)。的大小還決定了磁場(chǎng)在鐵磁質(zhì)中貯能的大小，越大，貯能越大，損耗能越小，P-B曲線的谷越窄。6、 通過計(jì)算來表征磁損耗。7、 要得到準(zhǔn)確的共振曲線和線寬，必須在