实验三_顺磁共振

实验三微波顺磁共振

电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年,S.A.Goudsmit和

G.Uhlenbeck用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功。Stern和Ger1aok也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。

电子自旋共振(Electron Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。

ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子、研究半导体中的杂质和缺陷、离子晶体的结构、金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以：ESR也是一种重要的近代物理实验技术。

ESR的研究对象是具有不成对电子的物质，如(1)具有奇数个电子的原子，象氢原子；

(2)内电子壳层未被充满的离子，如过渡族元素的离子；(3)具有奇数个电子的分子，如NO；

(4)某些虽不含奇数个电子，但总角动量不为零的分子，如O2；(5)在反应过程中或物质因受辐射作用产生的自由基；(6)金属半导体中的未成对电子等等，通过对电子自旋共振波谱的研究，即可得到有关分子、原子或离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关的物理结构和化学键方面的知识。

“电子自旋共振”与“核磁共振”的不同点在于电子磁矩较核磁矩大三个数量级，因此在实验中，若二者的共振频率大致相同，则电子自旋共振所需的外加静磁场要小得多，由螺线管产生就够了。

用电子自旋共振方法研究未成对的电子，可以获得其它方法不能得到或不能准确得到的数据。如电子所在的位置，游离基所占的百分数等等。

一、实验目的：

1.了解顺磁共振的基本原理。

2.观察在微波段的EPR现象，测量DPPH自由基中电子的g因子。

3.利用样品有机自由基DPPH在谐振腔中的位置变化，探测微波磁场的情况，确定微波的波导波长

二、实验原理:

由原子物理可知，自旋量子数的自由电子其自旋角动量

,h=6.62⨯10-34 J∙s，称为普朗克常数，因为电子带电荷，所以自旋电子还具有平行于角动量的磁矩，当它在磁场中由于受磁感应强度的作用,则电子的单个能级将分裂成

2S+1（即两个）子能级, 称作塞曼能级,如图1所示，两相邻子能级间的能级差为

(1)

式中焦耳/持斯拉,称为玻尔磁子，g为电子的朗德因子,是一个无量纲的量,其数值与粒子的种类有关，如的自由电子g=2.0023。从图1可以看出,这两个子能级之间的分裂将随着磁感应强度B的增加而线性地增加。自由电子在直流静磁场中,不仅作自旋运动,而且将绕磁感应强度进动,其进动频率为,如果在直流磁场

区迭加一个垂直于频率为的微波磁场,当微波能量子的能量等于两个子能级间的能量差时,则处在低能级上的电子有少量将从微波磁场吸收能量而跃进到高能级上去。因而吸收能量为

（2）即发生EPR现象，式（2）称为EPR条件。式（2）也可写成

（3）

将g、、h值代入上式可得 1010Hz。此处的单位为T(特斯拉)。如果微波的波长3cm, 即10000, 则共振时相应的要求在0. 3T以上。

在静磁场中, 当处于热平衡时,这两个能级上的电子数将服从玻尔兹曼分布,即高能级上的电子数与低能级上的电子数之比为

图 1电子自旋共振能级分裂示意图

（4）

一般比小三个数量级, 即<<, 所以上式可展开为

（5）式中=1.3807x 焦耳/开, 为玻尔兹曼常数,在室温下 T=300K,如微波的

时, 则。可以看出, 实际上只有很小一部分电子吸收能量而跃迁, 故电子自旋共振吸收信号是十分微弱的。

设为总电子数,则容易求得热平衡时二子能级间的电子数差值为

（6

）

由于EPR信号的强度正比于，因比在一定时，式(6)说明温度越低和磁场越强，或微波频率越高，对观察E P R信号越有利。

实验所采用的样品为含有自由基的二苯基—苦基肼基（DPPH），其分子式为

，结构式如图2所示

图2 DPPH的结构图

由此可见：在中间的N原子少一个共价键，有一个未偶电子，,或者说有一个未配对的自由电子，这个自由电子就是实验研究的对象，它无轨道磁矩，因此实验中观察到的是电子自旋共振的情况，故通常又称为电子自旋共振（ESR）, 由于DPPH中的“自由电子"并不是完全自由的, 故其g因子值不等于2.0023而是2.0036。

三、实验装置

图3实验装置示意图

顺磁共振最初是在射频电路中观测的，后来为了提高灵敏度从提高频率着手，于是微波系统取代了射频电路。

微波顺磁共振实验是在三厘米频段（9370MHZ附近）进行电子自旋共振实验的。采用可调式矩形谐振腔。

微波顺磁共振实验系统方框图见3。图中信号发生器为系统提供频率约为9370MHZ 的微波信号，微波信号经过隔离器，衰减器，波长计到魔T的H臂，魔T将信号平分后分别进入相邻的两臂。

可调矩形样品谐振腔，通过输入端的耦合片，可使微波能量进入微波谐振腔，矩形谐振腔的末端是可移动的活塞，用来改变谐振腔的长度。为了保证样品总是处于微波磁场的最强处，在谐振腔的宽边正中开了一条窄缝，通过机械传动装置可使实验样品处于谐振腔中的任意位置，并可从贴在窄边的刻度直接读出，实验样品为密封于一段玻璃管中的有机自由基DPPH。

系统中，磁共振实验仪的“X轴”输出为示波器提供同步信号，调节“调相”旋钮可使正弦波的负半周扫描的共振吸收峰与正半周的共振吸收峰重合。当用示波器观察时，扫描信号为磁共振实验仪的X轴提供的50MHZ正弦波信号，Y轴为检波器输出的微波信号。

将磁场强度的H数值及微波频率的v的数值代入磁共振条件就可以求得朗德因子g 的值。

下面对微波源，磁场系统，样品谐振腔，魔T系统等作简单介绍。

1．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。

2．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4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