微波法测电子自旋共振实验
8页1、中国石油大学近代物理实验实验报告成绩:班级:姓名:同组者:教师:实验7-2微波法测电子自旋共振实验【实验目的】1、了解电子自旋共振理论2、掌握电子自旋共振的实验方法3、测定DPPH自由基中电子的g因子和共振线宽【实验原理】1、电子自旋共振基础原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋,其自旋角动量为P =,S(S +1)力(7-2-1)S其中S是电子自旋量子数,S = 1/2。电子的自旋角动量兀与自旋磁矩4间的关系为e =-g P 2m Se /(7-2-2)=S其中:me为电子质量;ehHB = 顽,称为玻尔磁子;g为电子的朗德因子,具体表示为e1J (J +1) L(L +1) + S (S +1)g = 1 +2 J (J +1)(7-2-3)J和L为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数,J = L土S。对于单电子原子,原子的角动量和磁矩由单个电子决定;对于多电子原子,原子的角动量和磁矩由价电子决定。含有单电 子或未偶电子的原子处于基态时,L=0,J=S=1/2,即原子的角动量和磁矩等价于单个电子的自旋角 动量和自旋磁矩。e设Y = g为电子的旋磁比,则 2meH s =7Ps(7
2、-2-4)电子自旋磁矩在外磁场B (z轴方向)的作用下,会发生进动,进动角频率3为=YB(7-2-5)由于电子的自旋角动量P的空间取向是量子化的,在z方向上只能取SPs = mh( m = S,S -1,-S +1,-S )m表示电子的磁量子数,由于5=1/2,所以m可取1/2。电子的磁矩与外磁场B的相互作用能为一一二 -.1 E =日 B =日 B =丫方B(7-2-6)相邻塞曼能级间的能量差为AE =方=”B = g.BB( 7-2-7)如果在垂直于B的平面内加横向电磁波,并且横向电磁波的量子能量力正好与AE相等时, 即满足电子自旋共振条件时,则电子将吸收此旋转磁场的能量,实现能级间的跃迁,即发生电子自 旋共振。2、实验装置及原理本实验采用的微波段电子自旋共振实验装置如图7-2-1所示,由永磁铁、X波段(8.510.7GHz)3 cm固态微波源、3 cm微波波导元件、样品谐振腔、微波电子自旋共振仪和示波器等六分组成。 图7-2-2所示为微波电子自旋共振仪的控制面板。本实验用的样品是含有自由基的有机物DPPH,因为它有非常强的共振吸收,即使只有几毫特 的磁场(对应的几十兆赫的射频波段
3、),也能观察到明显的共振吸收信号,因此将它作为电子自旋共振实验的一种标准样品。其分子式为(C H ) N - NC H (NO ),结构式如图7-2-3所示。它 66 2622 3的一个氮原子上有一个未成对的电子,构成有机自由基,实验表明,自由基的g值(公认的DPPH 的g值为2.0038)十分接近自由电子的&值(2.0023)。N2图7-2-3 DPPH的结构3 cm固态微波源由耿氏二极管(一种体效应管X变容二极管和矩形波导谐振腔等组成,其振荡 频率可通过改变变容二极管的偏压进行电调谐,也可用螺丝钉在外部进行机械调谐。使用微波源时, 要特别注意耿氏二极管和变容二极管工作电压的极性及范围,在连接线路和调节时,必须按说明书 进行,以免造成损坏。1丘凯如凤2局高E微渎师而计,L可打恭! 5晶怀校汉器6单螺调配骅仃扭波导房 样品i韵辰腔;9永磁痴切扫场线圈;11匹配负载图7-2-1微波段电子自旋共振实验装置框图 变容二极管 工作电压耿氏二极管工作电压0-13V电源蛆0-15V微分放大器O O信导输入信号输出5口成交流调制场电源图7-2-2微波电子自旋共振仪由微波源产生的微波信号经隔离器和环行
4、器等传输到样品谐振腔。隔离器可以阻断微波传输回路中的反射波进入微波源,以免影响微波源的稳定。环行器则是一 种单向传输装置,仅允许微波信号沿特定的环向传输,在有的微波传输装置中,利用恕和双T等 波导元件进行组合来替代环行器。样品谐振腔是安放测试样品的微波谐振腔,为微波段电子自旋共 振仪的心脏,样品中产生电子自旋共振所需要的微波能量就是由微波源通过它提供的。在本实验装 置中使用的样品谐振腔是矩形反射式谐振腔,它是由宽边为。、窄边为如长度为/,两端用金属片 封闭的一段矩形波导管构成。在一端的金属片上开有一小孔(耦合孔),外部微波从该孔输入,而 腔内微波从该孔反射出去。当l满足一定条件时,腔内形成驻波,发生谐振。发生谐振时,腔内只 存在特定的电磁场分布(即振荡模式),磁场与电场能量相互全部转换,既不从外部吸收能量,也 不向外部辐射能量。由于标准的矩形波导一般设计成只能传输横电波,所以不妨将该振荡模式表示 为TEmnp,其中整数m、n、p分别为沿宽边、窄边和腔长方向分布的驻立半波数。对于比较简单的气P波,如果腔内是真空或空气介质时,计算表明,时,发生谐振。其中Xl = pg2P = 1,2,(7
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