微波段電子自旋共振 實(shí)驗(yàn)報告

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1、微波段電子自旋共振引言電子自旋共振(ElectronSpinResonance，簡稱ESR)也稱電子順磁共振(ElectronParamagneticResonance)，是1944年由扎伏伊斯基首先觀測到的，它是磁共振波譜學(xué)的一個分支。在探索物質(zhì)中未耦合電子以及它們與周圍原子相互作用方面，順磁共振具有很高的靈敏度和分辨率，并且具有在測量過程中不破壞樣品結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。目前它在化學(xué)，物理，生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.本實(shí)驗(yàn)的目的是在了解電子自旋共振原理的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)用微波頻段檢測電子自旋共振信號的方法。2.通過有機(jī)自由基DPPH的g值和EPR譜線共振

2、線寬并測出DPPH的共振頻率fs，算出共振磁場Bs，與特斯拉計測量的磁場對比。3.了解、掌握微波儀器和器件的應(yīng)用。4.學(xué)習(xí)利用鎖相放大器進(jìn)行小信號測量的方法。實(shí)驗(yàn)原理電子自旋共振研究的對象是有未偶電子（即未成對電子）的物質(zhì)，如具有奇數(shù)個電子的原子和分子，內(nèi)電子殼層未被填滿的原子和離子，受輻射或化學(xué)反應(yīng)生成的自由基以及固體缺陷中的色心和半導(dǎo)體、金屬等。通過對物質(zhì)的自旋共振譜的研究，可以了解有關(guān)原子，分子及離子中未偶電子的狀態(tài)及周圍環(huán)境方面的信息，從而獲得有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識。例如對固體色心的自旋共振的研究，從譜線的形狀、線寬及g銀子，可以估算出缺陷的密度，了解缺陷的種類

3、，缺陷上電子與電子的相互作用，電子與晶格的相互作用的性質(zhì)等。電子自旋共振可以研究電子磁矩與外磁場的相互作用，通常發(fā)生在波譜中的微波波段，而核磁共振（NMR）一般發(fā)生在射頻范圍。在外磁場的作用下的能級發(fā)生分裂，通常認(rèn)為是塞曼效應(yīng)所引起的。因此可以說ESR是研究電子塞曼能級間的直接躍遷，而NMR則是研究原子和塞曼能級間的躍遷。也就是說，ESR和NMR是分別研究電子自旋磁矩和核磁矩在外磁場中磁化動力學(xué)行為。1.電子自旋磁偶極矩電子自旋磁偶極矩μ和自旋磁矩m的關(guān)系是μ=μ0m。其自旋磁偶極矩與角動量之比稱為旋磁比γ，其表達(dá)式為γ=μ0ge2me,因此，電子自旋磁偶極矩沿磁場

4、H方向的分量應(yīng)該寫為μZ=-γ?ms=-gμ0e2me?ms=-gμBms,式中ms為電子自旋角動量的z分量量子數(shù),μB為玻爾磁子。由于自旋角動量取向的空間量子化，必將導(dǎo)致磁矩體系能級的空間量子化。即得一組在磁場中電子自旋此舉的能量值為E=gμBHms這說明塞曼能級間的裂距gμBH是隨磁場強(qiáng)度線性增大的，如下圖所示。11/111.電子自旋磁偶極矩μ在磁場H中的運(yùn)動電子自旋磁矩繞磁場H的進(jìn)動方程為dμdt=-γμ×H上式的解為μx=acosω0t，μy=asinω0t，μz=constant式中ω0=γH0上式表征了磁偶極矩μ與磁場H0保持一定的角度繞z軸做Larmo

5、r進(jìn)動，其進(jìn)動的角頻率為ω0=γH0。如下圖所示如果在垂直于恒定磁場H的平面內(nèi)加進(jìn)一個旋轉(zhuǎn)磁場h，若此旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)動方向相同，當(dāng)h的旋轉(zhuǎn)角頻率ω=ω0時，μ和h保持相對靜止。于是μ也將受到一個力矩的作用，繞h做進(jìn)動，結(jié)果是μ與H0之間的夾角增大，說明例子吸收了來自旋轉(zhuǎn)磁場h的勢能，這就發(fā)生了電子順磁共振現(xiàn)象，共振條件：ω0=ω=γH0=gμB?H0hυ=gμBH02.電子自旋的量子力學(xué)描述自旋為Ｓ的電子μe＝-gμBSΔE=gμBHhυ=ΔE=gμBHg=2時，計算得υ=9.51GHz3.弛豫過程、線寬共振吸收的另一個必要條件是在平衡態(tài)下，低能態(tài)E1的粒子

6、數(shù)N1比高能態(tài)E2的粒子數(shù)N2多，這樣才能顯示出宏觀（總體）共振吸收。即由低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的粒子數(shù)目比由高能態(tài)躍遷向低能態(tài)的數(shù)目多，這個條件是滿足的，因?yàn)槠胶鈺r粒子數(shù)分布服從玻爾茲曼分布：11/11N1N2=exp?(-E2-E1kT)假定E1>E2顯然N1

7、能態(tài)的電子自旋有機(jī)會把它的能量傳遞出去而回到低能態(tài)，這個過程稱為弛豫過程，正是弛豫作用的存在才維持著連續(xù)不斷的磁共振吸收效應(yīng)。弛豫過程導(dǎo)致粒子處在每個能級上的壽命δT縮短，而量子力學(xué)中的“測不準(zhǔn)關(guān)系”指出δT×δE=constant亦即δT的減少會導(dǎo)致δE的增加，δE表示該能級的寬度，即這個能量的不準(zhǔn)范國，如下圖能級的陰影寬度所示。這樣對于確定的微波頻頻率能夠引起共振吸收的磁場強(qiáng)度B的數(shù)值便允許有—個范圍△B，即共振吸收線有一定的寬度又稱譜線半高寬度，簡稱線寬（下圖）．馳豫過程越快，△B越寬，因此線寬可以作為馳豫強(qiáng)弱的度量?，F(xiàn)在定義一個物理量一馳豫時間T，即令△