电子自旋共振实验报告

电

子

自

旋

共

振

实

验

报

告

王文广U200910198

苏海瑞U200910218

应用物理学0903班

电子自旋共振实验报告

一、实验目的

1．了解自旋共振的基本原理和实验方法

2．观察和研究电子自旋共振现象，测量二苯基—苦基肼基中电子的朗德因子g 因子 二、实验内容

1．观测电子自旋共振的共振波形，测量共振情况下的磁场0B ，并根据磁场计算g 因子

2．改变微波的频率，测量不同频率下的磁场0B ，并计算不同频率下的g 因子 三、实验原理

1．电子的轨道磁矩

电子的轨道磁矩为

2l l e

e P m μ=-

l P 为电子轨道运动的角动量，e 为电子电荷，

e m 为电子质量。轨道角动量和轨道磁矩分别为

l l P μ== 2．电子的自旋磁矩

s s e

e P m μ=-

s P 为电子自旋运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。自旋角动量和自旋磁矩分别为

s s P μ== 由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍 3．电子的总磁矩

对于单电子的原子，总磁矩j μ与总角动量j P 之间有

j j e

e g

P m μ=- 其中()()()

()

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

+。对单纯轨道运动g 为1，对于

单纯自旋运动g 为2。

引入旋磁比γ，即有

j j e

P e g

m μγγ==- 在外磁场中j P 和j μ都是量子化的，因此j P 在外磁场方向上投影为

()()

2,1,,1,z mh

P m j j j j π

=

=----

相应的磁矩j μ在外磁场方向上的投影为

()()

2,1,

,1,z mh m j j j j γμπ

=

=----

由以上公式可得

4z B e

mgeh

mg m μμπ=-

=- 4B e

eh

m μπ=

为玻尔磁子 4．电子自旋共振（电子顺磁共振）

由于原子总磁矩j μ的空间取向是量子化的，因此原子处在外磁场

B 中时，磁矩与外磁场的相互作用也是量子化的，为

2j B mhB

E B mg B γμμπ

=-=-

=- 相邻磁能级之间的能量差为

2hB

E γπ

∆=

当向能量差为20hB E γπ∆=

的原子发射能量为20

hB h γνπ

=光子时，原子将这个光子跃迁到高磁能级，这是发生在原子中的共振吸收跃迁现象，台果磁能级分裂是由电子自旋提供的就是“电子自旋共振”。因此，电子自旋共振条件是光子的圆频率满足

B ωγ=

5．电子自旋共振研究的对象

如果分子中的原子所有的电子轨道都已成对填满了电子，自旋磁矩为0，没有固有磁矩，不会发生电子自旋共振。因此，要观察电子自旋共振要选取原子中没有完全成对的物质。

在这个实验中，我们采用顺磁物质为DPPH （二苯基-苦基肼），它的分子式为

()()6562223C H N NC H NO -，它的结构式如图所示。

四、实验装置

信号源电源，微波信号源，隔离器，衰减器，波长表，魔T ，调配器，负载，样品谐振腔，励磁电源，扫场，示波器，检波器，微安表，电磁铁 五、实验过程

1．实验准备

2．调节微波信号频率为9370Mhz ，然后进行校对 3．使样品谐振腔对微波信号谐振 4．观察电子自旋共振的波形 5．测量共振磁场B

6．改变微波信号的频率，重复以上步骤测量共振磁场B 7．根据每次的测量值计算出g 因子 六、实验记录

因为测量磁感应强度时特斯拉计最后一位示数总在变动，因此只记录了到了倒数第二位

22B e B B g e g m hB h g B

ωγπμγγ

μ=⎧⎪

⎨

==⎪⎩

⇒=

分别求得的g 因子的值为

由数据可以看出第一组数据的误差很大，因此舍去不用。 取剩下三组数据的平均值为 2.0024g = 与理论值2.0023比较得相对误差为0.004%g

g

∆= 由此可以看出这个实验的误差很小 七、思考题

1．电子自旋和核自旋的量子特征为什么不同？

答：电子的磁矩比较大，核的磁矩相对电子小很多，因此电子的共振频率比核自旋共振频率要大得多。并且电子自旋受到另一个电子的影响比较大，而两个原子核之间的影响则要小得多。

2．在外加磁场差不多的情况下，核磁共振可以用射频电磁波激发产生，而电子自旋共振需要用微波激发？

答：由h g B

γ

μ=

和B ωγ=可知，当磁场大小相同时共振时的共振频率与粒子的磁矩有关，电子的磁矩比原子核的磁矩大得多，因此共振频率大得多，需要更高的波来激发。

3．什么物质都能产生电子自旋共振吗？

答：不是所有的物质都能产生电子自旋共振。能够产生电子自旋共振的物质必须有未成对的电子，这样固有磁矩才不为零，才能产生电子自旋共振。

4．扫场的作用是什么？

答：在实验过程很难精确控制磁场的大小，因此我们在一个固定的磁场上再加一个交变磁场，使发生电子自旋共振时所需的磁场能够在这个范围内。