微波順磁共振、核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、微波順磁共振、核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告摘要:電子自旋共振(Electron Spin Resonance),縮寫為ESR,又稱順磁共振(Paramagnetic Resonance)。它是指處于恒定磁場(chǎng)中的電子自旋磁矩在射頻電磁場(chǎng)作用下發(fā)生的一種磁能級(jí)間的共振躍遷現(xiàn)象。這種共振躍遷現(xiàn)象只能發(fā)生在原子的固有磁矩不為零的順磁材料中，稱為電子順磁共振。1944年由前蘇聯(lián)的柴伏依斯基首先發(fā)現(xiàn)。它與核磁共振(NMR)現(xiàn)象十分相似,所以1945年P(guān)urcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR實(shí)驗(yàn)技術(shù)后來(lái)也被用來(lái)觀測(cè)ESR現(xiàn)象。目前它在化學(xué)、物理、生物和醫(yī)學(xué)等各方面都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。用電

2、子自旋共振方法研究未成對(duì)的電子,可以獲得其它方法不能得到或不能準(zhǔn)確得到的數(shù)據(jù)。如電子所在的位置,游離基所占的百分?jǐn)?shù)等等。1939年美國(guó)物理學(xué)家拉比用他創(chuàng)立的分子束共振法實(shí)現(xiàn)了核磁共振。1945年至1946年珀賽爾小組和布洛赫小組分別在石蠟小組分別在石蠟和水中觀測(cè)到穩(wěn)態(tài)核磁共振信號(hào)，從而在宏觀的凝聚物質(zhì)中取得成功。此后，核磁共振技術(shù)迅速發(fā)展，還滲透到生物、醫(yī)學(xué)、計(jì)量等學(xué)科領(lǐng)域以及眾多生產(chǎn)技術(shù)部門，成為分析測(cè)試中不可缺少的實(shí)驗(yàn)手段。關(guān)鍵詞：電子自旋共振 共振躍遷 鐵磁共振 g因子引言：順磁共振（EPR）又稱為電子自旋共振（ESR），這是因?yàn)槲镔|(zhì)的順磁性主要來(lái)自電子的自旋。電子自旋共振即為處于恒定磁

3、場(chǎng)中的電子自旋在射頻場(chǎng)或微波場(chǎng)作用下的磁能級(jí)間的共振躍遷現(xiàn)象。研究了解電子自旋共振現(xiàn)象，測(cè)量有機(jī)自由基DPPH的g因子值，了解和掌握微波器件在電子自由共振中的應(yīng)用，從矩形諧振長(zhǎng)度的變化，進(jìn)一步理解諧振腔的駐波。鐵磁共振和順磁共振、核磁共振一樣是研究物質(zhì)宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的有效手段本實(shí)驗(yàn)采用掃場(chǎng)法進(jìn)行微波鐵磁材料的共振實(shí)驗(yàn)。即保持微波頻率不變，連續(xù)改變外磁場(chǎng)，當(dāng)外磁場(chǎng)與微波頻率之間符合一定的關(guān)系時(shí)，可發(fā)生射頻磁場(chǎng)的能量被吸收的鐵磁共振現(xiàn)象。微波鐵磁共振在磁學(xué)和固體物理學(xué)中占有重要地位。它是微波鐵氧體物理學(xué)的基礎(chǔ)。微波鐵氧體在雷達(dá)技術(shù)和微波通信方面有重要的應(yīng)用。順磁共振1、實(shí)驗(yàn)原理：一、 電子的自

4、旋軌道磁矩與自旋磁矩原子中的電子由于軌道運(yùn)動(dòng)，具有軌道磁矩，其數(shù)值為：e2me?lPl 負(fù)號(hào)表示方向同Pl相反在量子力學(xué)中Pl?l?e?B 其中?B?e?2me稱為玻爾磁子。電子除了軌道運(yùn)動(dòng)外還具有自旋運(yùn)動(dòng)，因此還具有自旋磁矩，其數(shù)值表示為：?semePs?由于原子核的磁矩可以忽略不計(jì)，原子中電子的軌道磁矩和自旋磁矩合成原子的總磁矩：?jge2mePj 其中g(shù)是朗德因子，g?1?j(j?1)?l(l?1)?s(s?1)2j(j?1)在外磁場(chǎng)中原子磁矩要受到力的作用，其效果是磁矩繞磁場(chǎng)的方向作旋進(jìn)，也就是Pj繞著磁場(chǎng)方向作旋進(jìn)，引入回磁比ge2me，總磁矩可表示成?jPj。同時(shí)原子角動(dòng)量Pj和原

5、子總磁矩?j取向是量子化的。Pj在外磁場(chǎng)方向上的投影為：Pj?m? m?j,j?1,j?2,j其中m稱為磁量子數(shù)，相應(yīng)磁矩在外磁場(chǎng)方向?jmmg?B m?j,j?1,j?2,j二、電子順磁共振原子磁矩與外磁場(chǎng)B相互作用可表示為：Ej?Bmg?BBm?B不同的磁量子數(shù)m所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)表示不同的磁能級(jí)，相鄰磁能級(jí)間的能量差為?EB，它是由原子受磁場(chǎng)作用而旋進(jìn)產(chǎn)生的附加能量。如果在原子所在的穩(wěn)定磁場(chǎng)區(qū)又疊加一個(gè)與之垂直的交變磁場(chǎng)，且角頻率?滿足條件 g?BB即EB，剛好滿足原子在穩(wěn)定外磁場(chǎng)中的鄰近二能級(jí)差時(shí)，二鄰近能級(jí)之間就有共振躍遷，我們稱之為電子順磁共振。當(dāng)原子結(jié)合成分子或固體時(shí)，由于電子軌道運(yùn)動(dòng)

6、的角動(dòng)量常是猝滅的，即Pj近似為零，所以分子和固體中的磁矩主要是電子自旋磁矩的貢獻(xiàn)。根據(jù)泡利原理，一個(gè)電子軌道最多只能容納兩個(gè)自旋相反的電子，若電子軌道都被電子成對(duì)地填滿了，它們的自旋磁矩相互抵消，便沒有固有磁矩。通常所見的化合物大多數(shù)屬于這種情況，因而電子順磁共振只能研究具有未成對(duì)電子的特殊化合物。三、弛豫時(shí)間實(shí)驗(yàn)樣品是含有大量具有不成對(duì)電子自旋所組成的系統(tǒng)，雖然各個(gè)粒子都具有磁矩，但是在熱運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)下，取向是混亂的，對(duì)外的合磁矩為零。當(dāng)自旋系統(tǒng)處在恒定的外磁場(chǎng)H0中時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的磁矩便以不同的角度取向磁場(chǎng)H0的方向，并繞著外場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)，從而形成一個(gè)與外磁場(chǎng)方向一致的宏觀磁矩M。當(dāng)熱平衡

7、時(shí)，分布在各能級(jí)上的粒子數(shù)服從波耳茲曼定律，即：N2N1?exp(?E2?E1kT)?exp(EkT)式中k是波耳茲曼常數(shù)，k=1.3803×10-16（爾格/度），T是絕對(duì)溫度。計(jì)算表明，低能級(jí)上的粒子數(shù)略比高能級(jí)上的粒子數(shù)多幾個(gè)。這說(shuō)明要現(xiàn)實(shí)出宏觀的共振吸收現(xiàn)象所必要的條件，既由低能態(tài)向高能級(jí)躍遷的粒子數(shù)比由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷的粒子數(shù)要多是滿足的。正是這一微弱的上下能級(jí)粒子數(shù)之差提供了我們觀測(cè)電子順磁共振現(xiàn)象的可能性。2、實(shí)驗(yàn)裝置微波順磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三厘米固態(tài)信號(hào)發(fā)生器，隔離器，可變衰減器，波長(zhǎng)計(jì)，魔T，匹配負(fù)載，單螺調(diào)配器，晶體檢波器，矩形樣品諧振腔，耦合片，磁共振實(shí)驗(yàn)儀，電

8、磁鐵等組成，為使聯(lián)結(jié)方便，增加了H面彎波導(dǎo)，波導(dǎo)支架等元件三厘米固態(tài)信號(hào)發(fā)生器：是一種使用體效應(yīng)管做振蕩源的信號(hào)發(fā)生器，為順磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供微波振蕩信號(hào)。隔離器：位于磁場(chǎng)中的某些鐵氧體材料對(duì)于來(lái)自不同方向的電磁波有著不同的吸收，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)，可使其哦對(duì)微波具有單方向傳播的特性。隔離器常用于振蕩器與負(fù)載之間，起隔離和單向傳輸作用?？勺兯p器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直與矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管即成，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動(dòng)吸收可改變衰減量的大小。衰減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率以及去耦合的作用。波長(zhǎng)表：電磁波通過(guò)耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計(jì)的空腔中，當(dāng)頻率計(jì)的腔體失諧時(shí)，腔里的電磁場(chǎng)

9、極為微弱，此時(shí)，它基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時(shí)，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過(guò)波導(dǎo)中的電磁波信號(hào)強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時(shí)的刻度，通過(guò)查表可得知輸入微波諧振頻率。匹配負(fù)載：波導(dǎo)中裝有很好地吸收微波能量的電阻片或吸收材料，它幾乎能全部吸收入射功率。微波源：微波源可采用反射式速調(diào)管微波源或固態(tài)微波源。本實(shí)驗(yàn)采用3cm固態(tài)微波源，它具有壽命長(zhǎng)、輸出頻率較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，用其作微波源時(shí)，ESR的實(shí)驗(yàn)裝置比采用速調(diào)管簡(jiǎn)單。因此固態(tài)微波源目前使用比較廣泛。通過(guò)調(diào)節(jié)固態(tài)微波源諧振腔中心位置的調(diào)諧螺釘，可使諧振腔固

10、有頻率發(fā)生變化。調(diào)節(jié)二極管的工作電流或諧振腔前法蘭盤中心處的調(diào)配螺釘可改變微波輸出功率。魔 T：魔 T是一個(gè)具有與低頻電橋相類似特征的微波元器件，如圖（2）所示。它有四個(gè)臂，相當(dāng)于一個(gè)ET和一個(gè)HT組成，故又稱雙T，是一種互易無(wú)損耗四端口網(wǎng)絡(luò)，具有“雙臂隔離，旁臂平分”的特性。利用四端口S矩陣可證明，只要1、4臂同時(shí)調(diào)到匹配，則2、3臂也自動(dòng)獲得匹配；反之亦然。E臂和H臂之間固有隔離，反向臂2、3之間彼此隔離，即從任一臂輸入信號(hào)都不能從相對(duì)臂輸出，只能從旁臂輸出。信號(hào)從H臂輸入，同相等分給2、3臂；E臂輸入則反相等分給2、3臂。由于互易性原理，若信號(hào)從反向臂2，3同相輸入，則E臂得到它們的差信

11、號(hào)，H臂得到它們的和信號(hào)；反之，若2、3臂反相輸入，則E臂得到和信號(hào)，H臂得到差信號(hào)。當(dāng)輸出的微波信號(hào)經(jīng)隔離器、衰減器進(jìn)入魔 T的H臂，同相等分給2、3臂，而不能進(jìn)入E臂。3臂接單螺調(diào)配器和終端負(fù)載；2臂接可調(diào)的反射式矩形樣品諧振腔，樣品DPPH在腔內(nèi)的位置可調(diào)整。E臂接隔離器和晶體檢波器；2、3臂的反射信號(hào)只能等分給E、H臂，當(dāng)3臂匹配時(shí)，E臂上微波功率僅取自于2臂的反射。 右圖 魔T示意圖樣品腔：樣品腔結(jié)構(gòu)，是一個(gè)反射式終端活塞可調(diào)的矩型諧振腔。諧振腔的末端是可移動(dòng)的活塞，調(diào)節(jié)活塞位置，使腔長(zhǎng)度等于半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍（l?p?g/2）時(shí)，諧振腔諧振。當(dāng)諧振腔諧振時(shí)，電磁場(chǎng)沿諧振腔長(zhǎng)l方向

12、出現(xiàn)P個(gè)長(zhǎng)度為?g/2的駐立半波，即TE10P模式。腔內(nèi)閉合磁力線平行于波導(dǎo)寬壁，且同一駐立半波磁力線的方向相同、相鄰駐立半波磁力線的方向相反。在相鄰兩駐立半波空間交界處，微波磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，微波電場(chǎng)最弱。滿足樣品磁共振吸收強(qiáng)，非共振的介質(zhì)損耗小的要求，所以，是放置樣品最理想的位置。 在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)使外加恒定磁場(chǎng)B垂直于波導(dǎo)寬邊，以滿足ESR共振條件的要求。樣品腔的寬邊正中開有一條窄槽，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置可使樣品處于諧振腔中的任何位置并可以從窄邊上的刻度直接讀數(shù)，調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)或移動(dòng)樣品的位置，可測(cè)出波導(dǎo)波長(zhǎng)?。3、實(shí)驗(yàn)步驟：1、連接系統(tǒng),將可變衰減器順時(shí)針旋至最大, 開啟系統(tǒng)中各儀器的電源,預(yù)熱20分鐘。2、將磁共振實(shí)驗(yàn)儀器的旋鈕和按鈕作如下設(shè)置: “磁場(chǎng)”逆時(shí)針調(diào)到最低,“掃場(chǎng)” 逆時(shí)針調(diào)到最低，按下“調(diào)平衡/Y軸”按鈕（注：必須按下），“掃場(chǎng)/檢波”按鈕彈起，處于檢波狀態(tài)。（注：切勿同時(shí)按下）。3、將樣品位置刻度尺置于90mm處,樣品置于磁場(chǎng)正中央。4、將單螺調(diào)配器的探針逆時(shí)針旋至“0"刻度。5、信號(hào)源工作于等幅工作狀態(tài),調(diào)節(jié)可變衰減器使調(diào)諧電表有指示，然后調(diào)節(jié)“檢波靈敏度”旋鈕, 使磁共振實(shí)驗(yàn)儀的調(diào)諧電表