鐵磁共振試驗

1、鐵磁共振實驗邱正明一. 根本原理鐵磁共振實驗是了解鐵原子中電子的磁共振現象。根本原理：自旋不為零的粒子，如電子和質子，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生分裂， 分裂后兩能級間的能量差為：E= hBo( 1)其中：丫為旋磁比，h為約化普朗可常數，Bo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：爪(2)其中：v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：h 二 hBo(3)2 nv = 丫 Bo(4)低能極上的粒子就要吸收交變電磁場的能量產生躍遷，即所謂的磁共振。二.

2、 實驗設備圖一a. 樣品為鐵氧體，提供實驗用的鐵原子。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，產生9GH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

3、安表，指示檢波電流的大小。m. 微波電源，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hv大的多，因此我們用微波約v =9GH來提供電子躍遷所需的能量。在實驗中微波的頻率v是固定的，其在諧振腔中樣品處的能量 hv也是固定 的。要產生磁共振電子能級間的能量差 hB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 +1B隨之改變，當其接 近于微波能量值2時，電子就要吸收微波磁場的能量，產生鐵磁共振，表現為 檢波二極管的

4、輸出電流減小，電流最小值對應的外磁場B為諧振時的磁感應強度值，此時等式h = hBr成立，B由實驗所測得的共振吸收曲線圖三求得， v由波長表測出，丫即可求出。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 ?由圖二斗功率恒定的微波Bio II o I f F ?j j檢波二極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 hB，當它不等于粒子處微波能量 h.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)調節(jié)B， 當粒子兩能級間的能量差 hB等于粒子處微波能量2時，粒子吸收微波能量使 輸出電流減

5、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。鐵磁共振實驗要求和實驗指導1 .用波長表測微波頻率V。a. 翻開三厘米固態(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. 調節(jié)波導上的衰減器，使微安表有一定的讀數一般50卩A。d. 調節(jié)波長表使微安表讀數達最小值，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. 波長表調離諧振點，使微安表讀數回到原來近似值。2. 用非逐點調諧法測出I-B曲線：用多晶樣品a. 將諧振腔有樣品的局部放入磁場中心位置。b. 將線圈的“磁場接線端接入磁共振實驗儀的“磁場端。c. 調節(jié)磁共振實驗儀“磁場旋鈕改變勵磁電流的大小0最大,約2.5A， 每改變一次，記下一組勵磁電流A和波導輸出電流卩A的值，測 一條曲線。查表將勵磁電流值A轉換為對應的磁感應強度 BmT。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. 反過來調節(jié)勵磁電流由高到低最大一 0，測出另一條曲線。e在同一坐標紙上畫出兩條1卩A-BmT曲線，由兩條曲線分別求:B及g因子。最后求出厶B及g因子平均值。Z = Br , 丫= J3,'查教材后?物理學常量表?。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