电子顺磁new

电子顺次共振实验预习提示

为顺利完成电子顺磁共振实验，请在本实验课之前认真阅读实验

讲义以及相关的教材，能够清晰并准确回答以下问题： 1、产生电子顺磁共振现象的本质是什么？ 2、什么是电子顺磁共振？

3、产生电子顺次共振的必要条件有哪些？ 4、对比总结电子顺磁共振与核磁共振不同之处。 5、能够简述实验中消除地磁场的方法。

顺 磁 共 振

1925年,乌仑贝克和哥德斯密为了说明碱金属原子能级的双层结构，首先提出了电子自旋的假说：电子作自旋转动，由于其带负电，故而电子具有的自旋磁矩方向与其自旋角动量方向相反，但直到1944年,扎伏伊斯基才首先观察到电子自旋共振现象。

电子自旋共振，即(ESR)，是处于恒定磁场中电子自旋磁矩在射频(或微波)场作用下所引起磁能级的跃迁。

1954年开始，电子自旋共振（ESR）逐渐发展成为一项新技术。其研究对象是具有原子固有磁距的顺磁性物质，又称之为电子顺磁共振(即EPR）。如3d壳层未满的铁族与3d壳层未满的稀土族元素所组成的化合物，含有自旋不配对的自由基有机化合物都是研究ESR的重要对象。通过研究原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关物质结构和化学键的信息，故电子自旋共振是一种重要的近代物理实验技术，在物理、化学、生物、医学等领域有广泛的应用。

本实验要求观察电子自旋共振现象，观察顺磁离子对共振信号的影响，测量DPPH中电子的g因子，并利用电子自旋共振测量地球磁场的垂直份量。

一 实验目的

1．学习电子自旋共振的基本原理，实验现象，实验方法； 2．测量DPPH样品电子的g因子及共振线宽。

二 实验原理

1． 电子自旋共振

由原于物理学可知，电于自旋角动量值应为ps?S(S?1)h，S是自旋量子数。

由于电子带负电，所以其自旋磁矩应是平行于角动量的。当它处于稳恒磁场中时，将获得2S?1个可能取向，或者说，磁场的作用将电子能级劈裂成2S?1个次能级。简言之，两相邻次级间的能量差为：

?E?ge??B?B0 (1-1)

如果在电子所在的稳恒磁场区，再迭加一个同稳恒磁场垂直的交变磁场B1，而它的频率f又

恰好调正到使一个电子的能量hf0刚好等于?E 即：

h?f0?ge??B?B0 （1-2）

则两邻近能级间就有跃迁，即发生ESR现象，此时：

f0?ge??BhB0 (1-3)

或 ?0?ge?(1-3)式中：

2??BB0 hh?6.6262?10?34 J?S --- 普朗克常数

?B?9.8024?10?24 J?T?1 --- 波尔磁子

S?1时 ge?2.0023 2则 f0?2.8024 B0 (1-4) (1-4)式中，f0 单位为 MHz，B0 单位为 GS。

可见：

① 当交变磁场 B1的频率 f0 在射频段： 如当 f0＝28 MHZ， 则 B0 ＝10 GS ② 当交变磁场 B1的频率 f0 在微波段：

如当 f0 ＝ 9247 MHZ， 则 B0 ＝ 3300 GS

f0 为9247 MHZ，该频率对应为 3cm 微波波段的频率。

故ESR实验可在射频段和微波段均可实现。我们研究射频段电子自旋共振。 2． ESR共振过程中的两个过程 ①受激跃迁过程：受激跃迁过程中从整个系统来说是电子自旋磁矩吸B1 的能量占优势，使高、低

能级上粒子差数减少而趋于饱和。 ②弛豫过程：自旋-晶格相互作用和自旋-自旋相互作用。自旋一晶格相互作用，这是自旋电于与周围其他质点交换能量，使电子自旋磁矩在磁场中从高能级状态返回低能级状态，以恢复玻尔磁曼分布，这种作用的特征时间用T1，表示自旋―晶格弛豫时间，即纵向弛豫时间。自旋―自旋相互作用发生于自旋电子之间，使得各个自旋电子所处的局部场不同，其共振频率也相应有所差别，从而电子自旋磁矩在横向平面上的投影趋于完全的无规分布，这种作用特征时间用T2表示．称为自旋―

自旋驰豫时间，即横向弛豫时间。

3．电子自旋共振的独特之处

?①?B与Pe的方向相反?e取负值。 ?②射频磁场B1，起作用的是圆偏振场的右旋场。 ③由于电子磁矩(玻尔磁子?B)是核磁子?N 1836倍，故ESR的自旋-自旋驰豫比核系统强，因此所

得到的共振吸收曲线线宽较宽。

三 实验仪器

1实验仪器：边限振荡器，扫场电源，磁场电源，螺线管，频率计，示波器。

2磁场的计算及处理：恒定磁场 B0 与扫场磁场 B1

ESR实验中的恒定磁场B与扫场磁场B1由两个同轴螺线管线圈通电后产生，如图一所示。

外层螺线管通以DC 6－12V 。 内层螺线管通以AC 0－6V。 两个螺线管之四端接外支架接线钮。实验样品位于螺线管轴线中间。

图3-1 同轴螺线管线圈

根据电磁学知识，螺线管中心轴线上的磁场B0为：

B0??0NmI??0NmV (1-5) R然而，实验中，并不能确保样品正好放置于螺线管的中轴线上，所以需要对其进行矫正，引入样品相对于中轴线的偏转角?1，则样品位置处的磁场B0可修正为：

B0??0NmI??0NmVcos?1 （1-6） R根据实验所用螺线管的长度及直径尺寸，?1可控范围为：0-36.8o.

本实验利用最大偏转角36.8o作为B0的修正因子。（1-6）式中， Nm?1930 匝/m

R?18.06 Ω，?0?4??10?7(T?m/A)?4??10?3(GS?m/A).代入计算可得：

B0?1.08?V (GS) （1-7）

3 消除地磁场影响

地磁场的存在必然影响 B0 的计算，无论螺线管如何放置，地磁场的或水平分量或垂直分量必叠加在 B0 之上，因此必须消除，其方法就是采取螺线管通电电流倒向法。

先设定地磁场垂直分量与螺线管产生之磁场方向相同,则根据式（1-3）：

f0?ge?B(B0?B地） h而当螺线管通电电流倒向后,地磁场垂直分量与螺线管产生之磁场方向相反，合成磁场使共振

? ,故: 信号编移，如欲恢复到原先位置就得重新调整螺线管通电电流，此时螺线管产生之磁场 B0 f0?ge?B??B地）(B0 h

两式相加: f0??）ge?B(B0?B0?的数值进行计算） ? （注：只代入B0和B0h2由此可知，电流倒向法可有效消除实验中地磁场的影响。

4 实验样品

本实验采用含有自由基的有机物“DPPH”，其分子式为 （C6H5)2N?NC6H2(NO2)3 ，即称之“二苯基苦酸基联氨”，结构式 如图二所示。 在第二个氮原子上存在一个未偶电子——自由基，ESR就是观测该电子的自旋共振现象。对于这种“自由电子”没有轨道磁矩，只有自旋磁矩。因此实验中观察到的共振现象为ESR．这里需要指出这种“自由电子”也并不完全自由的，它的

图3-2 DPPH结构式

ge值为(2.0023土0.0002)，DPPH的ESR信号很强，其

通过对各种顺磁物质的共振吸收谱线 gege 值常用作测量其值接近2.00的样品的一个标准信号，

因子的测量，可以精确测量电子能级的差异，从而获得原子结构的信息。

根据公式(1-3)，如果实验中测得了共振频率f0和相应的恒定磁场B。，便可计算出电子的 ge 因子： ge?0.7145?f0 (1-8) B0式中 f0 单位为 MHZ ， B0单位为 GS。 5 连接线路

图3-3 实验连接线路图

四 实验内容

1．根据图三所示检查仪器线路，熟悉有关使用方法，通电予热，观察是否正常工作，在此前提下：

① 调节振荡器的频率调节，使频率计示值为19—33MHZ。 ② 丝管恒定磁场的工作电源为8—12V。 ③ 扫场调节为最大输出。

④ 调节示波器：使“X轴作用”的扩展扫描为某一示位，使“Y轴作用”灵敏度为某一示位。最终应在示波器观察到位置，幅值适当的共振吸收信号。

⑤ 得到共振信号后，确定 f0 不变情况下，调节B，以求获得等间距共振信号。如图4-1所示。 ⑥ 得到等间2E共振信号后，分别依次改变磁场强度B，射频频率f，扫场幅度，观察信号的位置和形状变化。

⑦ 重新调好等间距共振信号，将“X轴作用”转至“X-Y”示位，即在屏上观察到如图4-2所示的两个形状近似称的信号波形。

⑧ 调节移相，使之初步得到左右对称，高度适中，尖峰重合之波形。此即为最佳共振吸收峰。

图4-1 等间距共振信号 图4-2 最佳共振吸收峰

实验要求：观察DPPH样品的最佳共振信号及其最佳共振吸收峰，并记录其最佳共振频率f0及螺线管两端的正反向电压V。 2． 测ge因子：

根据上述消地磁场方法，计算稳恒磁场B0。 根据公式：ge?0.7145?f0 （MHZ/GS） B0给定一个 f0 的情况下，采用上述消除地磁场的方法求得B0值，计算 ge 值。 f0 V V= B0?1.08V f0?B0?B0 g?0.7145B0? eB02 B0= ?= B0 V?=

实验要求：电子ge因子的计算值最大允许误差为2%。

3．测共振线宽，并估算 T2 值：

实际的NMR及ESR不只是发生在单一频率上，而是发生在一定频率范围，即谱线有一定的宽度，共振吸收信号的谱线宽度(简称线宽)通常用半高宽表示，如图4-3所示： 图4-3 最佳共振信号线宽

在 B0 不是很强时： ?0?????1?2T2

又因????e??B 则可测得T2 值： T2?2

?e??B 式中，?电＝17.608 MHz，为电子的磁旋比值。

实验要求：由于此种测量方法比较粗略，只要求T2数量级准确即可。

实验建议：在调节 最佳共振信号的同时，注意观察信号的变化以及引起信号变化的过程，实验后分析总结异常现象产生的原因。

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