近代物理实验-电子顺磁共振

近代物理实验——电子顺磁共振

一、引言

电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance ，EPR ）是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。对自由基而言，轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分（99%以上）的贡献来自电子自旋，所以电子顺磁共振亦称“电子自旋共振”（ESR ）。

二、实验目的

1.测定DPPH 中电子的g 因数；

2.测定共振线宽；

3.掌握电子自旋试验仪的原理及使用

三、实验原理

电子除了具有质量、电荷，以及在原子中作轨道运动而具有轨道角动量、轨道磁矩以外，还存在自旋s 和自旋磁矩S μ ，在量子力学中，电子的自旋角动量为

s P =

，

式中1/2s = 为电子自旋量子数，因为电子带电，所以它具有平行于自旋轴的磁矩，其大小为

s s s P μγγ==，

其中s γ 称为电子自旋运动的旋磁比。

如果电子处于磁场B 中，由于它有自旋磁矩，它就会绕外磁场方向进动。在外磁场中，自旋磁矩只能有某些确定的取向，即S μ在外磁场方向上的投影是确定的：

sz s s m μγ= ，

s m 是电子的自旋磁量子数，它有21s + 个值。因1/2s =，故s m 只能

取两个值：1

2

±

。所以自旋磁矩在外磁场中只能有两个取向。 一般情况下，原子中电子的磁矩是自旋磁矩与轨道磁矩的矢量和，为了统一描述，通常引入无量纲的朗德因子g 因子，这样电子总磁矩余总角动量之间的关系可写为

2j j j j e

e

g

P P m μγ=-=- 其中j 是电子的总角动量量子数，j l s =+ ，1l s +- ，…，l s - ()()()

()

111121j j l l s s g j j +-+++=+

+

2j e

e g

m γ= 在外磁场方向，电子磁矩的分量为

2jz s s j e

e

m m g

m μγ==，,1,...,1,mj j j j j =--+- 若电子的磁矩用玻尔磁子2B e

e

m μ=

为单位来量度，于是有 jz j B m g μμ=

对于电子的轨道运动0s = ，j l = 则1g = ，于是2l e

e

m γ=

；对于电子的自旋运动，j s = ，0l = ，则2g = 于是，s e

e m γ=

。 当电子磁矩处于外磁场0B 中，会获得附加势能 00j B E B gm B μμ=-=-

可见，在外磁场中不成对电子的能级会分裂成21j + 个子能级，而且相邻两个子能级之间的能量差为

0B E g B μ=

如果另外再向这个系统加一个弱的交变磁场，并使它的磁场分量l B 的方向与

0B 和s μ 组成的平面始终垂直，即绕0B 方向以s μ 的进动频率转动

0B g B B μωγ=

=

此时交变电磁场的能量ω 正好等于电子的两个相邻磁能级之间的能量差，因而系统将吸收电磁场的能量，从低能态跃迁到高能态，这种共振跃迁现象通常只发

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。

四、实验装置

体效应微波振荡管，魔T，单螺调配器，可调矩形样品谐振腔

五、实验内容

1.接好各微波元件

2.选择微波电源的工作方式为等幅，预热30分钟

3.将单螺调配器的探针逆时针旋到“0”刻度

4.任意给定一微波频率，用直读频率计测量微波频率，计算波导波长，取

a=2.285cm，根据波导波长的数值，调节传动装置使样品处于微波磁场最强处

5.将检波晶体的输出接到电流表上，用电流表测量微波功率的大小，调节可调矩形谐振器的可移动活塞，使谐振器共振

6.调节单螺调配器，使魔T两端阻抗匹配

7.将检波晶体的输出接到磁共振实验仪上，并使磁共振实验仪处于Y轴检波状态，加上扫描磁场，扫场振幅可调至最大。改变稳恒磁场的大小，在示波器上搜索电子自旋共振信号

8.用特斯拉计测出电流与磁场大小的关系，并计算出共振时磁场的大小

9.测定DPPH中的g因子

六、思考题

1.在电子顺磁共振实验中，如何测定共振磁场的大小？

2.用电子顺磁共振方法测量朗德因子g因子时，什么时候测得的g因子是各向异性的？

七、参考文献

[1]向仁生.顺磁共振测量和应用的基本原理.北京：科学出版社，1965

[2]杨福家.原子物理学.北京：高等教育出版社，1990

[3]周永洽.分子结构分析.北京：化学工业出版社，1991