电子自旋共振实验报告.doc.docx

电子自旋共振实验报告篇一： 　　一、实验目的 　　1．了解自旋共振的基本原理和实验方法　　2．观察和研究电子自旋共振现象，测量二苯基—苦基肼基中电子的朗德因子g因子 二、实验内容　　1．观测电子自旋共振的共振波形，测量共振情况下的磁场B0，并根据磁场计算g因子　　2．改变微波的频率，测量不同频率下的磁场B0，并计算不同频率下的g因子 三、实验原理　　1．电子的轨道磁矩　　电子的轨道磁矩为　　e?　　?l??Pl　　2me?　　?　　Pl为电子轨道运动的角动量，e为电子电荷，me为电子质量轨道角　　动量和轨道磁矩分别为　　?l?Pl?　　2．电子的自旋磁矩　　e?　　?s??Ps　　me?　　?　　Ps为电子自旋运动的角动量，e为电子电荷，me为电子质量自旋角　　动量和自旋磁矩分别为　　?s?Ps?　　由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍 3．电子的总磁矩　　对于单电子的原子，总磁矩?j与总角动量Pj之间有　　?j??g　　?　　e?Pj me　　?　　?　　其中g?1?　　j?j?1??l?l?1??s?s?1?　　对单纯轨道运动g为1，对于　　2jj?1单纯自旋运动g为2。

　　引入旋磁比?，即有　　??j??Pj?e ???g　　me　　???　　在外磁场中Pj和?j都是量子化的，因此Pj在外磁场方向上投影为　　mh2? ?m??j,??j?1?,?,j?1,j?Pz?　　相应的磁矩?j在外磁场方向上的投影为　　?z?　　?mh2?　　?　　?m??j,??j?1?,?,j?1,j?　　由以上公式可得　　?z??　　?B?　　eh　　为玻尔磁子 4?me　　mgeh　　??mg?B 4?me　　4．电子自旋共振（电子顺磁共振）　　由于原子总磁矩?j的空间取向是量子化的，因此原子处在外磁场　　?　　B中时，磁矩与外磁场的相互作用也是量子化的，为　　?　　?mhB??　　E???j?B????mg?BB　　2?　　相邻磁能级之间的能量差为　　?E?　　?hB　　2?　　当向能量差为?E?　　?hB0?hB0　　的原子发射能量为h??光子时，原子将这2?2?　　个光子跃迁到高磁能级，这是发生在原子中的共振吸收跃迁现象，台果磁能级分裂是由电子自旋提供的就是“电子自旋共振”因此，电子自旋共振条件是光子的圆频率满足　　???B　　5．电子自旋共振研究的对象　　如果分子中的原子所有的电子轨道都已成对填满了电子，自旋磁矩为0，没有固有磁矩，不会发生电子自旋共振。

因此，要观察电子自旋共振要选取原子中没有完全成对的物质　　在这个实验中，我们采用顺磁物质为DPPH（二苯基-苦基肼）　　，它的分子式为　　?C6H5?2N?NC6H2?NO2?3，它的结构式如图所示　　四、实验装置　　信号源电源，微波信号源，隔离器，衰减器，波长表，魔T，调配器，负载，样品谐振腔，励磁电源，扫场，示波器，检波器，微安表，电磁铁　　五、实验过程　　1．实验准备　　2．调节微波信号频率为9370Mhz，然后进行校对 3．使样品谐振腔对微波信号谐振 4．观察电子自旋共振的波形 5．测量共振磁场B　　6．改变微波信号的频率，重复以上步骤测量共振磁场B 7．根据每次的测量值计算出g因子 六、实验记录　　因为测量磁感应强度时特斯拉计最后一位示数总在变动，因此只记录了到了倒数第二位篇二：顺磁共振实验报告　　近代物理实验报告　　顺磁共振实验　　学 院 班 级　　姓 名 学 号　　时 间20XX年5月10日　　顺磁共振实验 实验报告 　　【摘要】 　　电子顺磁共振又称电子自旋共振由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。

简称“EPR”或“ESR”由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验　　【关键词】　　顺磁共振，自旋g因子，检波　　【引言】　　顺磁共振（EPR）又称为电子自旋共振（ESR），这是因为物质的顺磁性主要来自电子的自旋电子自旋共振即为处于恒定磁场中的电子自旋在射频场或微波场作用下的磁能级间的共振跃迁现象顺磁共振技术得到迅速发展后广泛的应用于物理、化学、生物及医学等领域电子自旋共振方法具有在高频率的波段上能获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行超低含量分析，但并不破坏样品的结构，对化学反应无干扰等优点，对研究材料的各种反应过程中的结构和演变，以及材料的性能具有重要的意义研究了解电子自旋共振现象，测量有机自由基DPPH的g因子值，了解和掌握微波器件在电子自由共振中的应用，从矩形谐振长度的变化，进一步理解谐振腔的驻波　　【正文】　　一、实验原理 　　（1）电子的自旋轨道磁矩与自旋磁矩 ?l?? 　　原子中的电子由于轨道运动，具有轨道磁矩，其数值为：　　l号表示方向同Pl相反。

在量子力学　　中PePl2me，负，因 　　而 　　?l??B1)?B?2me称为玻尔磁子电子除了轨道运动外，其中e 　　还具有自旋运动，因此还具有自旋磁矩，其数值表示为：?s??ePs? 　　me　　由于原子核的磁矩可以忽略不计，原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩：?j??gej?l?sPjg?1?2me，其中g是朗德因子：2j　　在外磁场中原子磁矩要受到力的作用，其效果是磁矩绕磁场的方向作旋进，也　　???g　　就是Pj绕着磁场方向作旋进，引入回磁比　　同时原子角动量Pj和原子总磁矩　　Pj?m ,m?j,j?1,j?2,e2me，总磁矩可表示成?j??Pjj取向是量子化的Pj在外磁场方向上的投影为：其中m称为磁量子数，相应磁矩在外磁场方向上?j　　的投影为： ?j??m??mg?B ;m?j,j?1,j?2, 　　（2）电子顺磁共振 ?j 　　原子磁矩与外磁场B相互作用可表示为：E???j?B??mg?BB???mB不同的磁量子数m所对应的状态表示不同的磁能级，相邻磁能级间的能量差为?E??B，它是由原子受磁场作用而旋进产生的附加能量　　如果在原子所在的稳定磁场区又叠加一个与之垂直的交变磁场，且角频率?满足条件??g?BB，即???E??B，刚好满足原子在稳定外磁场中的邻近二能级差时，二邻近能级之间就有共振跃迁，我们称之为电子顺磁共振。

P当原子结合成分子或固体时，由于电子轨道运动的角动量常是猝灭的，即j近似为零，所以分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献根据泡利原理，一个电子轨道最多只能容纳两个自旋相反的电子，若电子轨道都被电子成对地填满了，它们的自旋磁矩相互抵消，便没有固有磁矩通常所见的化合物大多数属于这种情况，因而电子顺磁共振只能研究具有未成对电子的特殊化合物 　　（3）弛豫时间 　　实验样品是含有大量具有不成对电子自旋所组成的系统，虽然各个粒子都具有磁矩，但是在热运动的扰动下，取向是混乱的，对外的合磁矩为零当自旋系统处在恒定的外磁场H0中时，系统内各质点的磁矩便以不同的角度取向磁场H0的方向，并绕着外场方向进动，从而形成一个与外磁场方向一致的宏观磁矩M当热平衡时，　　分布在各能级上的粒子数服从波耳兹曼定律，即：　　N2E?E1?E?exp?expN1kTkT　　式中k是波耳兹曼常数，k=1.3803×10-16（尔格/度），T是绝对温度计算表明，低能级上的粒子数略比高能级上的粒子数多几个这说明要现实出宏观的共振吸收现象所必要的条件，既由低能态向高能级跃迁的粒子数比由高能级向低能级跃迁的粒子数要多是满足的。

正是这一微弱的上下能级粒子数之差提供了我们观测电子顺磁共振现象的可能性 　　二、实验装置 　　微波顺磁共振实验系统由三厘米固态信号发生器，隔离器，可变衰减器，波长计，魔T，匹配负载，单螺调配器，晶体检波器，矩形样品谐振腔，耦合片，磁共振实验仪，电磁铁等组成，为使联结方便，增加了H面弯波导，波导支架等元件　　（1）三厘米固态信号发生器：是一种使用体效应管做振荡源的信号发生器，为顺磁共振实验系统提供微波振荡信号　　（2）隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其哦对微波具有单方向传播的特性隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用　　（3）可变衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直与矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收可改变衰减量的大小衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用　　（4）波长表：电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。

　　（5）匹配负载：波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率　　（6）微波源：微波源可采用反射式速调管微波源或固态微波源本实验采用3cm固态微波源，它具有寿命长、输出频率较稳定等优点，用其作微波源时，ESR的实验装置比采用速调管简单因此固态微波源目前使用比较广泛通过调节固态微波源谐振腔中心位置的调谐螺钉，可使谐振腔固有频率发生变化调节二极管的工作电流或谐振腔前法兰盘中心处的调配螺钉可改变微波　　输出功率　　（7）魔 T：魔 T　　是一个具有与低频电桥相类似特　　征的微波元器件，如图（2）所示它有四个臂，相当于一个E～T和一个H～T组成，故又称双T，是一种互易无损耗四端口网络，具有“双臂隔离，旁臂平分”的特性利用四端口S矩阵可证明，只要1、4臂同时调到匹配，则2、3臂也自动获得匹配；反之亦然E臂和H臂之间固有隔离，反向臂2、3之间彼此隔离，即从任一臂输入信号都不能从相对臂输出，只能从旁臂输出信号从H臂输入，同相等分给2、3臂；E臂输入则反相等分给2、3臂由于互易性原理，若信号从反向臂2，3同相输入，则E臂得到它们的差信号，H臂得到它们的和信号；反之，若2、3臂反相输入，则E臂得到和信号，H臂得到差信号。

当输出的微波信号经隔离器、衰减器进入魔 T的H臂，同相等分给2、3臂，而不能进入E臂3臂接单螺调配器和终端负载；2臂接可调的反射式矩形样品谐振腔，样品DPPH在腔内的位置可调整E臂接隔离器和晶体检波器；2、3臂的反射信号只能等分给E、H臂，当3臂匹配时，E臂上微波功率仅取自于2臂的反射　　（8）样品腔：样品腔结构，是一个反射式终端活塞可调的矩型谐振腔谐振腔的末端是可移动的活塞，调节活塞位置，使腔长度等于半个波导波长的整数倍l?p?g/2（）时，谐振腔谐振当谐振腔谐振时，电磁场沿谐振腔长l方向出现P?/2个长度为g的驻立半波，即TE10P模式腔内闭合磁力线平行于波导宽壁，且同一驻立半波磁力线的方向相同、相邻驻立半波磁力线的方向相反在相邻两驻立半波空间交界处，微波磁场强度最大，微波电场最弱满足样品磁共振吸收强，非共振的介质损耗小的要求，所以，是放置样品最理想的位置在实验中应使外加恒定磁场。