2022年新版微波段电子自旋共振实验报告.doc

2021年新版微波段电子自旋共振实验报告
2021年新版微波段电子自旋共振实验报告
1 / 12
2021年新版微波段电子自旋共振实验报告
微波段电子自旋共振
引言
电子自旋共振(Electron Spin Resonance, 简称ESR)也称电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance), 是1944年由扎伏伊斯基首先观察到, 它是磁共振波谱学一个分支。在探索物质中未耦合电子以及它们与周围原子相互作用方面, 顺磁共振含有很高灵敏度和分辨率, 而且含有在测量过程中不破坏样品结构优点。现在它在化学, 物理, 生物和医学等领域都取得了广泛应用。
试验目
本试验目是在了解电子自旋共振原理基础上, 学****用微波频段检测电子自旋共振信号方法。
经过有机自由基DPPHg值和EPR谱线共振线宽并测出DPPH共振频率fs, 算出共振磁场Bs, 与特斯拉计测量磁场对比。
了解、 掌握微波仪器和器件应用。
学****利用锁相放大器进行小信号测量方法。
试验原理
电子自旋共振研究对象是有未偶电子（即未成对电子）物质, 如含有奇数个电子原子和分子, 内电子壳层未被填满原子和离子, 受辐射或化学反应生成自由基以及固体缺点中色心和半导体、 金属等。经过对物质自旋共振谱研究, 能够了解相关原子, 分子及离子中未偶电子状态及周围环境方面信息, 从而取得相关物质结构知识。比如对固体色心自旋共振研究, 从谱线形状、 线宽及g银子, 能够估算出缺点密度, 了解缺点种类, 缺点上电子与电子相互作用, 电子与晶格相互作用性质等。
电子自旋共振能够研究电子磁矩与外磁场相互作用, 通常发生在波谱中微波波段, 而核磁共振（NMR）通常发生在射频范围。在外磁场作用下能级发生分裂, 通常认为是塞曼效应所引发。所以能够说ESR是研究电子塞曼能级间直接跃迁, 而NMR则是研究原子和塞曼能级间跃迁。也就是说, ESR和NMR是分别研究电子自旋磁矩和核磁矩在外磁场中磁化动力学行为。
电子自旋磁偶极矩
电子自旋磁偶极矩μ和自旋磁矩m关系是μ=μ0m。其自旋磁偶极矩与角动量之比称为旋磁比γ, 其表示式为
γ=μ0ge2me,
所以, 电子自旋磁偶极矩沿磁场H方向分量应该写为
μZ=-γℏms=-gμ0e2meℏms=-gμBms,
式中ms为电子自旋角动量z分量量子数, μB为玻尔磁子。
因为自旋角动量取向空间量子化, 必将造成磁矩体系能级空间量子化。即得一组在磁场中电子自旋此举能量值为
E=gμBHms
2021年新版微波段电子自旋共振实验报告
2021年新版微波段电子自旋共振实验报告
3 / 12
2021年新版微波段电子自旋共振实验报告
这说明塞曼能级间裂距gμBH是随磁场强度线性增大, 以下图所表示。
电子自旋磁偶极矩μ在磁场H中运动
电子自旋磁矩绕磁场H进动方程为
dμdt=-γμ×H
上式解为
μx=acosω0t, μy=asinω0t, μz=constant
式中ω0=γH0上式表征了磁偶极矩μ与磁场H0保持一定角度绕z轴做Larmor进动, 其进动角频率为ω0=γH0。以下图所表示
假如在垂直于恒定磁场H平面内加进一个旋转磁场h, 若此旋转磁场旋转方向和进动方向相同, 当h旋转角频率ω=ω0时, μ和h保持相对静止。于是μ也将受到一个力矩作用, 绕h做进动, 结果是μ与H0之间夹角增大, 说明例子吸收了来自旋转磁场h势能, 这就发生了电子顺磁共振现象, 共振条件:
ω0=ω=γH0=gμBℏH0
hυ=gμBH0
电子自旋量子力学描述
自旋为Ｓ电子
μe＝-gμBS
ΔE=gμBH
hυ=ΔE=gμBH
g=2时, 计算得υ=
弛豫过程、 线宽
共振吸收另一个必需条件是在平衡态下, 低能态E1 粒子数N1 比高能态E2 粒子数N2 多, 这么才能显示出宏观（总体）共振吸收。即由低能态向高能态跃迁粒子数目比由高能态跃迁向低能态数目多, 这个条件是满足, 因为平衡时粒子数分布服从玻尔兹曼分布:
2021年新版微波段电子自旋共振实验报告
2021年新版微波段电子自旋共振实验报告
3 / 12
2021年新版微波段电子自旋共振实验报告
N1N2=exp⁡(-E2-E1kT)
假定E1>E2显然N1<N2
吸收跃迁(E2→E1)占优势, 然而随时间推移及E2→E1过程充足进行, 势必使
N2 与N1 之差趋于降低, 甚至可能反转, 于是吸收效应会降低甚至停止。但实际并
非如此, 因为包含大量原子或离子顺磁体系中, 自旋磁矩之间随时都在相互作用
而交换能量, 同时自旋磁