特色實(shí)驗(yàn)1：電子自旋共振實(shí)驗(yàn)

1一、試驗(yàn)題目二、試驗(yàn)?zāi)康挠^看并了解電子自旋共振現(xiàn)象。測量DPPH中的g因子和共振曲線的寬度。三、試驗(yàn)原理象的觀看，了解磁共振的根本原理并學(xué)習(xí)磁共振現(xiàn)象爭論的一般方法。機(jī)理進(jìn)展描述。自旋運(yùn)動(dòng)，它也產(chǎn)生肯定磁矩。自旋磁矩和自旋角動(dòng)量間的關(guān)系是μs＝e/meＰ，e/me稱為自旋運(yùn)動(dòng)的旋磁比。全部電子的總角動(dòng)量J=∑〔Li)+∑〔Si)是守恒的，在這種既有自旋又有軌道運(yùn)動(dòng)的狀況下，同樣存在磁矩和角動(dòng)量之間的比例關(guān)系：μJ＝gJ(e/2me)PJ,gJ稱為原子的盤旋比率，或稱g因子，由于動(dòng)量取量子化數(shù)值｜J｜=[J(J＋1)]h，則｜μJ｜＝[J(J+1)]gJμB,其中μB＝eh/2me=0.9273E-23安3米子。我們又從量子力學(xué)理論知：gJ=1+[J(J+1)+S(S+1)-L(L+1)]/2J(J+1)式中J、L、S是總角動(dòng)量、總軌道角動(dòng)量、自旋角動(dòng)量的量子數(shù)。假設(shè)磁矩全由軌道運(yùn)動(dòng)奉獻(xiàn)，則有J＝L，S＝0，這時(shí)gJ＝1。假設(shè)磁矩全由自旋運(yùn)動(dòng)奉獻(xiàn)，則J＝S，L＝0，這時(shí)gJ=2。我們再來看看參加外磁場的狀況。依據(jù)經(jīng)典理論，一個(gè)磁矩μ處在磁場B中，它們的相互作用能：E＝-μ*B＝-gJmsμBB在磁場中的取向而有兩個(gè)值：E1/2＝-gJ(1/2)μBＢ,E-1/2=gJ(1/2)μBＢ分裂的大小和B成正比，能級(jí)差為：E-1/2-E1/2＝gJμBＢ。下面我們來說明電子自旋共振現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的。曼統(tǒng)計(jì):N2 eE1/2/kT

egBB/2kT g

B/kTN1

eE1/2

gB/2kT e Be B假設(shè)在垂直于恒磁場B的方向上，附加一個(gè)弱的交變磁場，(頻率為ν)當(dāng)其能量hν等于兩支能級(jí)能量差時(shí)(hν＝gJμBＢ〕，低能級(jí)上電子會(huì)吸取交變場的。由于躍遷到高能級(jí)的電子會(huì)通過“自旋—晶格互作用”把能量傳給晶格，無輻的平衡，因此只能滿足關(guān)系式hν＝gJμBＢ。試驗(yàn)中可以通過選擇B和ν的值使上述關(guān)系得以滿足，可想而知，有這樣兩種方法：①固定ν，轉(zhuǎn)變B，這稱為掃場法。②固定B，轉(zhuǎn)變?chǔ)停@稱為掃頻法。在肯定范圍內(nèi)變化的“掃描磁場”，從而可以觀測到磁共振信號(hào)。對(duì)于不同的樣品，可以有很大的差異。引起譜線增寬的緣由是：每個(gè)自旋電子除受外加恒定磁場Ｂ0的作用外，還受到其它自旋電子所形成的局部磁場B”Ｂ0+B”，由于樣品中各個(gè)自旋電子四周由于自旋—自旋相互作用而引起的能級(jí)增寬(因而譜線增寬)的現(xiàn)象稱為自旋—自旋馳豫。能級(jí)上的壽命有限，依據(jù)量子力學(xué)給出的測不準(zhǔn)關(guān)系式：δE2δt～h，由于壽命δt有限，則能級(jí)有肯定的寬度。此外，外磁場Ｂ0的不均勻，使樣品中不同區(qū)域的電子處在不同的磁場中等因素，也會(huì)使能級(jí)變寬。四、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)裝置的構(gòu)成圖1〔選件〕組成，如下圖，使用AC220V電源。圖1智能電子自旋共振儀主機(jī)硬件框圖Q值發(fā)生變化，振蕩器的振幅會(huì)有較大的變化，以便于觀看共振吸取現(xiàn)象。調(diào)整轉(zhuǎn)變振蕩器的振蕩頻率。向，可轉(zhuǎn)變均勻磁場方向。放大后在示波器上可觀看到一個(gè)鐘形脈沖。本試驗(yàn)用的材料是DPPH，分子式為(C6H5)2N--NC6H2(NO2)3，構(gòu)造式為NO2N N

NO2名叫二苯基三硝基苯肼，是一種有機(jī)自由基，其次個(gè)N上有一個(gè)不配對(duì)的電子，它在磁場中只存在二個(gè)支能級(jí)，而滿足｜ΔMs｜＝1的躍遷只有一個(gè)，故只有一條吸取譜線。五、儀器的安裝與使用方法儀器的安裝測試主機(jī)背后有四個(gè)插座，分別是探頭插座〔5芯〕、磁場線圈插座〔4芯〕、它們分別連接好檢查無誤后即可開機(jī)通電。正常狀況下，開機(jī)后1秒內(nèi)主機(jī)顯示屏?xí)@示一個(gè)4位有效數(shù)的電流或頻率值〔由測量選擇開關(guān)的位置打算〕，EEEE”則為不正常，需檢查排解故障。在示波器檔位適宜時(shí)〔AC擋，垂直100-200mV/DIV，水平5-10mS/DIV〕，開機(jī)瞬時(shí)即可見到共振信號(hào)。儀器的使用方法定一個(gè)頻率值〔頻率值在20MH左右，調(diào)整“頻率調(diào)整”旋鈕可微調(diào)其值〕，Z〔共振點(diǎn)的電流值大約在210-250mA左右，隨磁場方向開關(guān)位置及磁場線圈角度的〕PC機(jī)軟件，可直接在PC機(jī)屏幕上讀取數(shù)據(jù)并計(jì)算出g因子、譜線半高寬和地磁場重量。個(gè)存放器中。PC機(jī)中共設(shè)計(jì)有5個(gè)存放器，故可以存放5組測量數(shù)據(jù)。為了便利不同學(xué)校的使用者，本儀器還設(shè)計(jì)有其它使用方式，分別表達(dá)如下：利用外接示波器手動(dòng)測量〔在射頻電子自旋共振儀的顯示屏上讀出〕,轉(zhuǎn)變磁場方向再測一次，即可獲得一組數(shù)據(jù)。n組數(shù)據(jù)，然后依據(jù)本說明附錄局部給出的數(shù)據(jù)處理方法，計(jì)算出g因子和地磁場。承受這種手動(dòng)測量方法，雖然準(zhǔn)確度較差，但有利于學(xué)生對(duì)試驗(yàn)的了解。獨(dú)立使用射頻電子自旋共振儀在這種方式下，外接示波器可以不用〔或僅作為信號(hào)監(jiān)視用〕。這時(shí)需將〔此時(shí)機(jī)內(nèi)蜂鳴器回發(fā)出聲音〕，可以讀取數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變磁場方向再測，即得到一組數(shù)據(jù)。同樣需要重復(fù)測量，獵取n組數(shù)據(jù)后再進(jìn)展結(jié)果計(jì)算。在這種方式下不能測量譜線的半高寬。得到地磁場的總強(qiáng)度和磁傾角。圖軟件界面及主要功能介紹：2所示：圖圖2PC機(jī)軟件界面軟件主要功能介紹如下：工作模式和硬件設(shè)置：工作模式和硬件設(shè)置欄的功能用于設(shè)置PC3圖3工作模式和硬件設(shè)置欄取。也可以通過雙游標(biāo)讀取某兩點(diǎn)的數(shù)值差。圖4繪圖顯示區(qū)105圖5存放器組測量結(jié)果的顯示：機(jī)進(jìn)展相應(yīng)計(jì)算，并將所得結(jié)果顯示在該欄中。圖6測量結(jié)果治理六、其他操作報(bào)告進(jìn)展存檔或打印。附錄：數(shù)據(jù)處理磁場計(jì)算方法90°，以便測量地磁場重量，感應(yīng)強(qiáng)度可由下式求出： NR2I NR2IB k0 0

0 0 03

B ks s

0 s s3式中：

(R2X2)2

(R2X2)2004107(亨/米)R——亥姆霍茲線圈半徑〔米〕N——穩(wěn)恒磁場線圈匝數(shù)0N——掃場線圈匝數(shù)sI——通過穩(wěn)恒場線圈的電流(A)oI——通過掃場線圈的電流峰峰值〔A〕s系數(shù)，可查閱儀器說明書〕g因子計(jì)算方法依據(jù)共振時(shí)的Io

hvgJ

B中，即可求得g因子。B六、使用留意事項(xiàng)及故障排解意外的損壞；直至綠燈亮的時(shí)間最長〔或機(jī)內(nèi)蜂鳴器發(fā)聲最長〕，此時(shí)磁場調(diào)整的最準(zhǔn)；或儀器前面板開關(guān)接觸不良，請檢查訂正；閉主機(jī)電源，幾秒鐘后再重開機(jī)即可恢復(fù)正常。七、思考題在測量中為何需要使用“磁場換向”開關(guān)進(jìn)展兩次測量