鐵磁共振實驗 中科大

1、鐵磁共振實驗 邱正明 一. 基本原理鐵磁共振實驗是了解鐵原子中電子的磁共振現(xiàn)象。基本原理： 自旋不為零的粒子,如電子和質(zhì)子,具有自旋磁矩。如果我們把這樣的粒子放入穩(wěn)恒的外磁場中，粒子的磁矩就會和外磁場相互作用使粒子的能級產(chǎn)生分裂，分裂后兩能級間的能量差為: （1）其中：為旋磁比，為約化普朗可常數(shù)，B0為穩(wěn)恒外磁場。如果此時再在穩(wěn)恒外磁場的垂直方向加上一個交變電磁場，該電磁場的能量為: （2）其中：為交變電磁場的頻率。當該能量等于粒子分裂后兩能級間的能量差時，即： （3）2=B0 （4）低能極上的粒子就要吸收交變電磁場的能量產(chǎn)生躍遷，即所謂的磁共振。二. 實驗設備圖一a. 樣品為鐵氧體，提供實驗

2、用的鐵原子。b. 電磁鐵，提供外磁場，使鐵原子能級分裂。c. 微波，提供能量，使低能級電子躍遷到高能級。d. 波導，單方向傳導微波，使其通過樣品。e. 波長表，測量微波的波長。f. 諧振腔，其諧振頻率與微波的頻率相等，進入的微波與其諧振，樣品即放在波峰處，該處的微波磁場與外磁場垂直。g. 固體微波信號源，產(chǎn)生9GHZ左右的微波信號。h. 隔離器，使微波只能單方向傳播。i. 衰減器，控制微波能量的大小。j. 輸出端，含有微波檢波二極管，其輸出電流與輸入的微波功率成正比。k. 直流磁場電壓源，給電磁鐵提供勵磁電流，改變輸出電壓的大小即可改變磁場的大小。l. 微安表，指示檢波電流的大小。m. 微波電

3、源，為固體微波信號源提供電源。三. 實驗原理鐵磁共振實際上是鐵原子的電子自旋順磁共振，在相同的外磁場中電子能級裂距約為核磁能級裂距的1840倍。所以能級間躍遷所需的能量要比核磁共振需要的能量h大的多，因此我們用微波（約=9GHZ）來提供電子躍遷所需的能量。在實驗中微波的頻率是固定的，其在諧振腔中樣品處的能量h也是固定的。要產(chǎn)生磁共振電子能級間的能量差必須等于該值，我們改變勵磁電流值，使外磁場磁感應強度B變化，因而使電子能級間的能量差隨之改變，當其接近于微波能量值時，電子就要吸收微波磁場的能量，產(chǎn)生鐵磁共振，表現(xiàn)為檢波二極管的輸出電流減小，電流最小值對應的外磁場Br為諧振時的磁感應強度值，此時等

4、式成立，Br由實驗所測得的共振吸收曲線（圖三）求得，由波長表測出，即可求出。為什么說波導輸出電流最小值對應的磁場強度B為磁共振時的磁場強度值Br？由圖二圖二檢波二極管輸出的電流正比與其輸入微波功率，改變外磁場B實際上改變粒子兩能級間的能量差，當它不等于粒子處微波能量時，粒子不吸收微波能量，微波可完全越過粒子到達二極管，使其輸出一個較大的電流。繼續(xù)調(diào)節(jié)B，當粒子兩能級間的能量差等于粒子處微波能量時，粒子吸收微波能量使輸出電流減小，其最小值對應的外磁場Br即為磁共振時的磁場強度值。為什么共振曲線有寬度?可從粒子能級有寬度解釋，見書中說明。大學物理實驗第三冊第131頁。鐵 磁 共 振 實 驗 要 求

5、 和 實 驗 指 導1 用波長表測微波頻率。a 打開三厘米固態(tài)信號發(fā)生器電源預熱半小時。b 將微波諧振腔的信號輸出端接入微安表。c 調(diào)節(jié)波導上的衰減器，使微安表有一定的讀數(shù)（一般50A）。d 調(diào)節(jié)波長表使微安表讀數(shù)達最小值，讀取波長表的刻度值，由刻度值和頻率對照表求得微波頻率。e 波長表調(diào)離諧振點，使微安表讀數(shù)回到原來近似值。2 用非逐點調(diào)諧法測出I-B曲線：（用多晶樣品）a 將諧振腔有樣品的部分放入磁場中心位置。b 將線圈的“磁場”接線端接入磁共振實驗儀的“磁場”端。c 調(diào)節(jié)磁共振實驗儀“磁場”旋鈕改變勵磁電流的大?。?最大,約2.5A），每改變一次，記下一組勵磁電流（A）和波導輸出電流（A）的值，測一條曲線。查表將勵磁電流值（A）轉(zhuǎn)換為對應的磁感應強度B（mT）。（中間點可用插值法估算）。測量過程中不要改變衰減量和波長表。d 反過來調(diào)節(jié)勵磁電流由高到低（最大0），測出另一條曲線。 e 在同一坐標紙上畫出兩條I(A)-B(mT)曲線，由兩條曲線分別求B及g因子。最后求出B及g因子平均值。（,=g/）,查教材后物理學常量表 。圖三3 用示波器觀察共振波形a 將微波諧振腔的信號輸出端接入磁共振實驗儀的“檢波輸入”