電子自旋實驗報告

7/7電子自旋共振學號：09XXXXX姓名：xxx班別：xxx合作人：xxx實驗日期：xxx自我評價：優(yōu)實驗目的1、了解電子自旋共振理論。2、掌握電子自旋共振的實驗方法。3、測定DPPH自由基中電子的g因子和共振線寬。二、實驗原理原子的磁性來源于原子磁矩，由于原子核的磁矩很小，可以略去不計，所以原子的總磁矩由原子中各電子的軌道磁矩和自旋磁矩所決定。在本單元的基礎知識中已經(jīng)談到，原子的總磁矩μJ與PJ總角動量之間滿足如下關(guān)系：式中μB為玻爾磁子，h為約化普朗克常量，由上式得知，回磁比（1）按照量子理論，電子的L-S耦合結(jié)果，朗德因子（2）由此可見，若原子的磁矩完全由電子自旋磁矩貢獻（L=0，J=S），則g=2。反之，若磁矩完全由電子的軌道磁矩所貢獻（S=0，J=L），則g=1。若自旋和軌道磁矩兩者都有貢獻，則g的值介乎1與2之間。因此，精確測定g的數(shù)值便可判斷電子運動的影響，從而有助于了解原子的結(jié)構(gòu)。將原子磁矩不為零的順磁物質(zhì)置于外磁場B0中，則原子磁矩與外磁場相互作用能由式（9.0.10）決定，那么，相鄰磁能級之間的能量差△E=γhB0（3）如果垂直于外磁場B0的方向上施加一幅值很小的交變磁場2B1cosωt，當交變磁場的角頻率ω滿足共振條件hω=△E=γhB0（4）時，則原子在相鄰磁能級之間發(fā)生共振躍遷。這種現(xiàn)象稱為電子自旋共振，又叫順磁共振。在順磁物質(zhì)中，由于電子受到原子外部電荷的作用，使電子軌道平面發(fā)生旋進，電子的軌道角動量量子數(shù)L的平均值為0，當作一級近似時，可以認為電子軌道角動量近似為零，因此順磁物質(zhì)中的磁矩主要是電子自旋磁矩的貢獻。由(1)和(4)兩式可解出g因子：g=hf0/μBB0（式中f0為共振頻率，h為普朗克常數(shù)）本實驗的樣品為DPPH(Di-PhehcrylPicrylHydrazal)，化學名稱是二苯基苦酸基聯(lián)氨，其分子結(jié)構(gòu)式為（C6H5）2N-NC6H2·（NO2）2，如圖9.3.1所示。它的第二個氮原子上存在一個未成對的電子，構(gòu)成有機自由基，實驗觀測的就是這灰電子的磁共振現(xiàn)象。實際上樣品是一個含有大量不成對的電子自旋所組成的系統(tǒng)，它們在磁場中只分裂為二個塞曼能級，在熱平衡時，分布于各塞曼能級上的粒子數(shù)服從波耳茲曼分布，即低能級上的粒子數(shù)總比高能級的多一些，因此，即使粒子數(shù)因感應輻射由高能級躍遷到低能級的概率和粒因感應吸收由低能級躍遷到高能級的概率相等，但由于低能級的粒子數(shù)比高能級的多，也是感應吸收占優(yōu)勢，從而為觀測樣品的磁共振吸收信號提供可能性。隨著高低能級上粒子差數(shù)的減少，以致趨于零，則看不到共振現(xiàn)象，即所謂飽和。但實際上共振現(xiàn)象仍可繼續(xù)發(fā)生，這是弛豫過程在起作用，弛豫過程使整個系統(tǒng)有恢復到玻耳茲曼分布的趨勢，兩種作用的綜合效應，使自旋系統(tǒng)達到動態(tài)平衡，電子自旋共振現(xiàn)象就能維持下去。電子自旋共振也有兩種弛豫過程，一是電子自旋與晶格交換能量，使得處在高能級的粒子把一部分能量傳給晶格，從而返回低能級，這種作用稱為自旋-晶格弛豫。由自旋-晶格弛豫時間用T1表征，二是自旋粒子相互之間交換能量，使它們的旋進相位趨于隨機分布，這種作用稱自旋-自旋弛豫。由自旋-自旋弛豫時間用T2表征。這個效應使共振譜線展寬，T2與譜線的半高寬△ω有如下關(guān)系2△ω≈―（5）T2故測定線寬后便可估算T2的大小。觀察ESR所用的交變磁場的頻率由恒定磁場B0的大小決定，因此可在射頻段或微波段進行ESR實驗。三、實驗儀器圖1電子順磁共振儀構(gòu)成圖圖2電子順磁共振儀前面板圖3微波系統(tǒng)裝配圖1－微波源2－隔離器3－環(huán)型器4

－扭波導5－直波導6—樣品7—短路活塞8—檢波器四、實驗內(nèi)容見預習報告。五【實驗數(shù)據(jù)記錄及處理】測量磁場與勵磁電源電壓的關(guān)系，測量數(shù)據(jù)關(guān)系如下：表一：測量磁場與勵磁電源電壓的關(guān)系（第一次數(shù)據(jù)2011/11/07）U/V0.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6B/Gs327532813286329132973302330733143319332533313336U/V2.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0B/Gs334433493356336133673373337933843391339734023408表二：測量磁場與勵磁電源電壓的關(guān)系（第二次數(shù)據(jù)2011-11-14）U/V0.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6B/Gs328732933300330533103317332333293335334133473354U/V2.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0B/Gs336033653372337733843390339634023408341434203426分別用Origin線性擬合，得出U-B關(guān)系曲線，如圖4示：LinearRegressionforDATA2_B:Y=A+B*XParValue ErrorA 3261.80261 0.40131B 29.19348 0.13226R SD N P0.99977 0.89704 24 <0.0001LinearRegressionforDATA2_B:Y=A+B*XParValue ErrorA 3274.70116 0.19872B 30.280430.06549R SD N P0.99995 0.44419 24 <0.0001圖4量磁場與勵磁電源電壓的關(guān)系圖由圖1知，U-B關(guān)系曲線線性擬合度很好，故實驗時可通過測量U得到相應的B值。由圖1寫出前后兩次測量結(jié)果的擬合關(guān)系：B=3261.80+29.19×UB=3274.70+30.28×U（2）其中（1）式為第一次數(shù)據(jù)2011-11-07所得，（2）式為第二次數(shù)據(jù)2011-11-14所得，其中U的單位為V，B的單位為Gs。分析：（1）、（2）兩式結(jié)果相差較大的原因主要有以下幾點：=1\*ROMANI：兩次測量環(huán)境溫度、濕度不相同，而溫度和濕度會影響樣品的電磁性質(zhì)；=2\*ROMANII：兩次測量樣品放置位置及角度不一樣；DHHP樣品朗德因子gJ的計算。（1）使用第一次測量數(shù)據(jù)計算：示波器設置為16mv；掃描時間為1ms；微波頻率為f=9.360GHz將示波器波形調(diào)至最大及對稱，測量得到共振時電壓為：U=2.35V由式（1）計算得相應共振磁場為：B=3261.80樣品的朗德因子為：g其中波爾磁子μj=5.78838263*10^(-11)MeVT-1，普朗克常數(shù)h=6.6260755*10^(-34)J*s,電子電荷e=1.60217733*10^(-19)。（2）使用第二次測量數(shù)據(jù)計算：示波器設置為16mv；掃描時間為1ms；微波頻率為f=9.360GHz將示波器波形調(diào)至最大及對稱，測量得到共振時電壓為：U=1.99V共振時磁場為：B=3274.70樣子的朗德因子為：g取次朗德因子的測量平均值：g兩次測量標準偏差為：σ=相對誤差為：E=分析：兩次測量相對誤差很小，測量結(jié)果較為準確。可以認為樣品的朗德因子的大小與樣品的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，與外界環(huán)境的濕度及溫度無關(guān)。計算波導波長實驗測得共振點的位置如下：表三：測量共振點L123位置（mm）7.85330.20552.738λ2波導波長為：λ=44.98mm計算共振半高寬調(diào)節(jié)不同勵磁電壓，調(diào)節(jié)相應波形使波形對稱等高，測量數(shù)據(jù)如下表：表四：測量半共振半高寬U/V1.982.082.182.282.302.322.342.362.38Δv/mV12.4011.8010.808.357.707.006.305.203.80U/V2.402.422.412.402.372.352.332.312.23Δv/mV2.601.451.802.654.555.606.957.9010.05U/V2.132.031.931.881.831.781.731.681.63Δv/mV11.3511.9012.5012.6012.8512.8512.3511.107.30U/V1.651.621.611.601.591.581.571.561.54Δv/mV9.206.205.154.153.002.151.801.251.10用Origin作出U-Δv關(guān)系曲線，并進行洛倫茲擬合得到下圖：圖5：手動測量共振半高寬洛倫茲擬合曲線由Origin的洛倫茲擬合曲線的Worksheet找出極點為（1.98746，13.8709），半高點為（1.65028，6.9355）和（2.30068，7.01225），由此可求得半高寬為：?∪=2.30068-1.65028=0.6504V轉(zhuǎn)換成磁場為：?B=30.28×0.6504分析：由圖2，未擬合前，最大共振頻率與測量朗德因子時所得的U=1.99V相差較大；擬合后曲線的共振頻率U=1.9875V和在測量朗德因子中的共振頻率U=1.99V相近。圖中洛倫茲曲線和測量曲線誤差較大，誤差來源主要為：=1\*ROMANI.測量時為增補測量點沒有按張統(tǒng)一順序測量；=2\*ROMANII.測量中調(diào)節(jié)波形對稱時存在不可避免的主觀誤差；=3\*ROMANIII.隨著測量的進行樣品的溫度升高，從而影響實驗的測量?！舅伎寂c討論】在微波段電子自旋共振實驗中，也需要消除地磁場的影響嗎？為什么？答：不需要。在微波段發(fā)生的電子自旋共振的磁場強度B比較強（B>3000Gs），查資料得地磁場強度B地為0.5~0.6Gs，故B?B地掃場信號在電子自旋共振觀測中起什么作用？答：恒定磁場線圈及其電流提供產(chǎn)生能級賽曼分裂的恒定外磁場，掃場線圈及其電源產(chǎn)生可與外磁場疊加的（低頻）調(diào)制場。掃場信號就是勵磁電源產(chǎn)生的磁場，它的輸入顯示電子自旋共振的磁場強度。3．你觀察到的ESR信號是什么樣子的？影響對稱性的因素有哪此？分析哪些因素對你的實驗結(jié)果影響較大？答：ESR信號圖形如右圖所示：其中右側(cè)為李薩如圖形。影響對稱性的因素有：勵磁電壓影響橫向?qū)ΨQ性、短路活塞（即波導長）影響豎向?qū)ΨQ性。其中勵磁電壓對實驗結(jié)果影響較大