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铁磁共振实验
邱正明
基本原理
铁磁共振实验是了解铁原子中电子的磁共振现象。
基本原理:
自旋不为零的粒子,如电子和质子,具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中,粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂,分裂后两能级间的能量差为:
(1)
其中:γ为旋磁比,为约化普朗可常数,B0为稳恒外磁场。
如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场,该电磁场的能量为:
(2)
其中:ν为交变电磁场的频率。
当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时,即:
(3)
2πν=γB0 (4)
低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁,即所谓的磁共振。
实验设备
图一
样品为铁氧体,提供实验用的铁原子。
电磁铁,提供外磁场,使铁原子能级分裂。
微波,提供能量,使低能级电子跃迁到高能级。
波导,单方向传导微波,使其通过样品。
波长表,测量微波的波长。
谐振腔,其谐振频率与微波的频率相等,进入的微波与其谐振,样品即放在波峰处,该处的微波磁场与外磁场垂直。
固体微波信号源,产生9GHZ左右的微波信号。
隔离器,使微波只能单方向传播。
衰减器,控制微波能量的大小。
输出端,含有微波检波二极管,其输出电流与输入的微波功率成正比。
直流磁场电压源,给电磁铁提供励磁电流,改变输出电压的大小即可改变磁场的大小。
微安表,指示检波电流的大小。
微波电源,为固体微波信号源提供电源。
实验原理
铁磁共振实际上是铁原子的电子自旋顺磁共振,在相同的外磁场中电子能级裂距约为核磁能级裂距的1840倍。所以能级间跃迁所需的能量要比核磁共振需要的能量hν大的多,因此我们用微波(约ν=9GHZ)来提供电子跃迁所需的能量。
在实验中微波的频率ν是固定的,其在谐振腔中样品处的能量hν也是固定的。要产生磁共振电子能级间的能量差必须等于该值,我们改变励磁电流值,使外磁场磁感应强度B变化,因而使电子能级间的能量差随之改变,当其接近于微波能量值时,电子就要吸收微波磁场的能量,产生铁磁共振,表现为检波二极管的输出电流减小,电流最小值对应的外磁场Br为谐振时的磁感应强度值,此时等式成立,Br由实验所测得的共振吸收曲线(图三)求得,ν由波长表测出,γ即可求出。
为什么说波导输出电流最小值对应的磁场强度B为磁共振时的磁场强度值Br?由图二
图二
检波二极管输出的电流正比与其输入微波功率,改变外磁场B实际上改变粒子两能级间的能量差,当它不等于粒子处微波能量时,粒子不吸收微波能量,微波可完全越过粒子到达二极管,使其输出一个较大的电流。继续调节B,当粒子两能级间的能量差等于粒子处微波能量时,粒子吸收微波能量使输出电流减小,其最小值对应的外磁场Br即为磁共振时的磁场强度值。
为什么共振曲线有宽度?可从粒子能级有宽度解释,见书中说明。
《大学物理实验第三册》第131页。
铁磁共振实验要求和实验指导
用波长表测微波频率ν。
打开三厘米固态信号发生器电源预热半小时。
将微波谐振腔的信号输出端接入微安