电子顺磁共振的基本原理及其应用

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电子顺磁共振谱ESR

谱图解析方法
直接解析法
数据库比对法
通过观察谱线的位置、形状和强度，结合已知的物质性质和结构信息，直接解析出被测物质的磁性参数和结构特征。
将实验谱图与已知的ESR谱图数据库进行比对，通过相似度匹配来确定被测物质的类型和结构。
计算机模拟法
利用计算机模拟ESR谱图，通过比较模拟结果与实验谱图，可以更准确地解析出被测物质的磁性参数和结构特征。
应用领域拓展
随着ESR技术的不断发展，其应用领域也在不断拓展，从最初的自由基研究逐渐拓展到生物医学、环境科学、能源科学等多个领域。
ESR技术面临的挑战
样品制备难度大
由于ESR对样品的纯度和均匀度要求较高，因此样品制备难度较大，需要较高的实验技巧和经验。
谱图解析难度高
由于ESR谱图较为复杂，不同组分的信号容易相互干扰，因此谱图解析难度较高，需要较高的专业知识和技术水平。
电子顺磁共振谱（ESR
目录
CONTENTS
• 电子顺磁共振谱（ESR）概述 • ESR实验技术 • ESR谱图解析 • ESR在科学研究中的应用 • ESR技术展望与挑战
01 电子顺磁共振谱（ESR）概述
CHAPTER
ESR定义与原理
定义
电子顺磁共振谱（ESR）是一种研究物质中未成对电子的共振谱技术，通过测量物质在磁场中的电子磁矩变化来获取物质内部结构和电子状态信息。
选择合适的微波频率，以避免信号损失和干扰，提高分辨率。
功率与时间
调整微波功率和曝光时间，以获得最佳的信号强度和信噪比。
实验数据处理与分析
数据预处理
对采集到的数据进行滤波、去噪等处理，以提高信噪比。
参数拟合

顺磁共振原理

顺磁共振原理顺磁共振（MRI）是一种利用核磁共振现象对人体进行成像的技术。

它是一种无创的检查方法，具有较高的分辨率和对软组织的良好显示效果，因此在临床诊断中得到了广泛的应用。

顺磁共振成像的原理是基于核磁共振现象，通过对人体组织中的氢原子进行激发和检测，得到组织的信号强度和分布情况，从而形成图像。

核磁共振现象是指在外加磁场的作用下，原子核在吸收或发射特定频率的电磁波时会发生共振现象。

在MRI中，主要利用水分子中的氢原子核进行成像。

当人体置于强磁场中时，水分子中的氢原子核会受到外加磁场的影响，从而产生共振现象。

通过改变外加磁场的方向和大小，可以对氢原子核进行激发和检测，得到组织的信号。

顺磁共振成像的过程主要包括激发和检测两个步骤。

在激发步骤中，利用射频脉冲对样品中的氢原子核进行激发，使其处于高能级状态。

在检测步骤中，利用梯度磁场对激发后的氢原子核进行检测，得到信号并进行处理，最终形成图像。

这一过程需要精密的控制和调节，以确保成像的准确性和清晰度。

顺磁共振成像的原理基础是核磁共振现象，而其成像效果受到多种因素的影响。

首先是外加磁场的强度和均匀性，强磁场的均匀性对成像的空间分辨率和信噪比有重要影响。

其次是射频脉冲的频率和幅度，这直接影响了激发和检测的效果。

此外，梯度磁场的强度和方向也对成像的分辨率和对比度有影响。

因此，顺磁共振成像需要精密的仪器设备和严格的操作流程，以确保成像的质量和准确性。

顺磁共振成像技术的发展为临床诊断提供了重要的工具，特别是在神经科学、心血管疾病和肿瘤诊断方面具有重要应用。

通过对组织器官的高清成像，可以及早发现疾病的变化，为临床诊断和治疗提供重要信息。

同时，顺磁共振成像也在科学研究和医学教育中发挥了重要作用，为人们对人体结构和功能的认识提供了新的途径。

总之，顺磁共振成像是一种基于核磁共振现象的成像技术，具有高分辨率和对软组织的良好显示效果。

其原理基础是核磁共振现象，通过对氢原子核的激发和检测，得到组织的信号并形成图像。

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：12±。

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 eegP 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 ee gm γ= 在外磁场方向，电子磁矩的分量为2jz s s j eem m gm μγ==，,1,...,1,mj j j j j =--+- 若电子的磁矩用玻尔磁子2B eem 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 eem γ=；对于电子的自旋运动，j s = ，0l = ，则2g = 于是，s ee m γ=。

电子自旋共振(ESR)

Aliyoshi
直到 1975 年，Ikeya （中文译为：池谷元伺）
在Nature上发表了对日
本 Aliyoshi 洞（秋芳洞）次生碳酸盐进行的 ESR 测年结果，这是 ESR 测年的首次应用成功范例，也是首次被用于地球科学。
随后，这种方法才逐步地应用于地质学、地貌学以及考古学等各个领域中不同材料的年代测定。在80年代取得了迅速的发展。
ESE测年基本原理 ——以石英为例
为什么ESR能适用于前面提到的各种材料？
四种不同的“零化”过程：
ESE测年基本原理 ——以石英为例
（1）附加剂量法
采用60Co γ 放射源，对处理好的样品进行不同附加剂量的辐照（不用晒退）。用 ESR 谱仪测量未辐照和辐照后的样品，然后以辐照剂量为横坐标，以 ESR 信号强度为纵坐标作图，获得剂量响应曲线。
空穴的形成：类质同象体中离子的置换或晶体生长、相变和形变过程中由于外界压力、温度及介质成分等外界因素的影响形成的氧空穴( 空位) 等点缺陷或位错缺陷。
杂质的出现：石英中主要是由于Al3+或Li+、Na+、K+等代替Si4+进入晶格引起的。。因为Si4+ 的离子半径不大 ( 0. 042 nm) 并且离子化合价较高, 目前为止只发现了Al3+ ( 0. 051 nm) 、Ga3+ ( 0. 062 nm) 、Fe3+ ( 0. 064 nm ) 、Ge4+ ( 0. 053 nm ) 、Ti4+( 0. 064 nm) 和P5+ ( 0. 035 nm) 等离子与 Si4+ 离子发生类质同象替换。其中有些是异价类质同象, 为了保持晶格中电价平衡, 其它的离子如H+ , Li+ , Na+ , K+ , Cu+ 和Ag + 同时进入到石英晶格间成为间隙离子

电子顺磁共振实验讲义

近代物理实验讲义电子顺磁共振南京理工大学物理实验中心2009.1.20电子顺磁共振实验电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)又称电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)。

由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。

1924 年，泡利（ Pauli）首先提出了电子自旋的概念。

1944 年，前苏联的柴伏依斯基首次观察到了电子顺磁共振现象。

1954 年开始，电子自旋共振逐渐发展成为一项新技术。

电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子以及内电子壳层未被充满的离子，受辐射作用产生的自由基及半导体、金属等。

通过共振谱线的研究，可以获得有关分子、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。

一 . 实验目的1．了解电子顺磁共振的原理。

2．掌握 FD-TX-ESR-II 型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法。

3．利用电子顺磁共振谱仪测量DPPH 的 g 因子。

二 . 实验原理A、测量原理原子的磁性来源于原子磁矩，由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的总磁矩由原子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。

原子的总磁矩μJ与总角动量 P J之间满足如下关系：g B P J P J(1)J式中μB 为玻尔磁子，为约化普朗克常量。

由上式可知，回磁比g B(2)其中 g 为朗德因子。

对于原子序数较小（满足L－S 耦合）的原子的朗德因子可用下式计算，J(J 1) S(S1) L(L 1)g 1(3)2J(J1)由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献（L=0，J=S），则 g=2。

(整理)电子顺磁共振实验讲义

1924 年，泡利（Pauli）首先提出了电子自旋的概念。

1944年，前苏联的柴伏依斯基首次观察到了电子顺磁共振现象。

1954 年开始，电子自旋共振逐渐发展成为一项新技术。

一.实验目的1．了解电子顺磁共振的原理。

2．掌握FD-TX-ESR-II型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法。

3．利用电子顺磁共振谱仪测量DPPH的g因子。

二.实验原理A 、测量原理原子的磁性来源于原子磁矩，由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的总磁矩由原子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。

原子的总磁矩μJ 与总角动量P J 之间满足如下关系：B J J J gP P μμγ=-= (1)式中μB 为玻尔磁子，为约化普朗克常量。

由上式可知，回磁比B gμγ=- (2)其中g 为朗德因子。

对于原子序数较小（满足L －S 耦合）的原子的朗德因子可用下式计算，(1)(1)(1)12(1)J J S S L L g J J +++-+=++ (3) 由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献（L=0，J=S ），则g=2。

EPR简介

电子自旋共振技术综述电子自旋共振，ESR （Electron Spin Resonance ），又称电子顺磁共振，EPR （Electron Paramagnetic Resonance ）发现于1944年，是一种通过检测未成对电子的顺磁性，研究顺磁性物质结构的波普检测技术。

七十年代随着ESR 技术和计算机的发展，ESR 技术取得多种突破，不但提高了检测谱线的灵敏度和分辨率, 还能用于了解顺磁体系的动态性能，使ESR 技术在这在考古学、地质学、结构化学、生物化学和固体物理、医药学、等多个领域均有广泛运用。

一、基本原理物质中充满了电子，电子带负电，绕原子核做圆周运动，同时做自旋运动。

运动的电子产生环形电流，从而产生微小的磁场。

绝大多数电子是成对出现的，他们轨道相同自旋方向相反，因而产生的磁场互相抵消，总电磁率为零，在外加电场的作用下，形成与外磁场方向相反方向的磁场排列，称抗磁性物质。

在辐射作用下（包括天然本地照射），一些物质（如晶体）可被电离，形成自由电子－空穴对（空穴带一个单位正电荷）。

自由电子在运动中损失能量，最终被晶格或杂质捕获，形成陷阱电子（一个单位负电荷）。

这种为成对的陷阱电子或空穴，形成一个微小磁场，他们在外磁场作用下自身磁场有两种取向：电子自身磁场与外磁场相反为低能态，相同为高能态；两种能量状态能极差为E ＝gμB （g 为电子、空穴特性因子，μ为波尔磁矩，B 为外磁场强度），顺磁性物质在外加强磁场下能级分裂现象称为塞曼分裂。

外磁场B 方向电子磁场方向电子磁场方向低能态高能态此时，若在垂直磁场方向上加一个微波，则当微波频率v 满足hv＝E＝gβB微波吸收谱一次微分谱（h为普朗克常数）时，低能态未配对电子将吸收微波能量从而跃迁到高能态，即发生电子顺次共振吸收现象，形成吸收峰。

为使hv＝E＝gμB等式成立，有两种方法：扫场法（改变磁场强度B）和扫频法（改变微波频率v）。

二、扫场ESR仪器组成ESR波普仪主要包括以下五大部分：1、微波系统；2、磁场系统；3、谐振腔；4、检波器；5、数据系统。

《电子顺磁共振》课件

水质监测
通过电子顺磁共振技术可以检测水体中的重金属离子、有机污染物等有害物质，为水质监测和治理提供技术支持。
土壤污染修复
电子顺磁共振技术可以用于土壤污染修复过程中的自由基监测，有助于了解土壤污染的修复机制和效果评估。
05
电子顺磁共振的未来发展与挑战
技术创新与突破
检测方法的改进
01
提高检测灵敏度、分辨率和稳定性，实现更快速、准确和自动
样品固定
采用适当的固定方法将样品固定在实验装置中，以便进行实验操作。
实验操的电子顺磁共振实验装置。
参数设置
根据实验样品的特点，设置合适的实验参数，如磁场强度、微波频率等。
实验操作
按照实验步骤进行操作，记录实验数据。
数据处理与分析
数据整理
整理实验获得的数据，确保数据的准确性和完整性。
通过电子顺磁共振技术可以研究催化剂的活性中心和反应过程中电子结构的改变，有助于优化催化剂的性能。
化学键断裂与形成
电子顺磁共振可以检测化学键的断裂和形成过程中自由基的变化，有助于理解化学键的本质和化学反应的动力学过程。
在生物学研究中的应用
自由基生物学
电子顺磁共振技术可以用于研究自由基生物学，探索自由基在生物体内的生成、代谢和作用机制，以及自由基对生物体的影响。
现状
目前，EPR已经成为一种重要的物理表征手段，广泛应用于各个学科领域。
应用领域
物理
EPR在物理领域中主要用于研究物质的电子结构和磁性性质，如铁电体、超导体等。
生物学
EPR在医学领域中用于研究生物组织的结构和功能，如肿瘤、心血管疾病等。
化学
EPR在化学领域中用于研究分子的电子结构和反应机理，如自由基反应、化学键断裂等。

电子顺磁共振的基本原理及其应用

谐振腔 TEMPOL水溶液
• 测试方式：定性、定量、原位电解（变氧化还原）、原位光照、流动法、
基本原理：
1
1
电子具有：
S ; 2
mS 2
电子自旋磁矩和外磁场的相互作用能： E e B0
若设外磁场加在Z轴方向上，则有：
E eB0 gmSB0
这里：e gmS;
e
2me
共振条件：
:
E
(
1 2
)gB0
(mS
1) 2
(14) 煤、石油
C•、COO•、VO2
(15) 宝石（钻石、 C•、NO2 、黑色素红宝石、珍珠）
牙、骨、珊瑚、石英的年代测定
煤的风化、石油的变性宝石的品质检查、功能性材料
(16) 玻璃、陶瓷
Si•、SiO•、 SiOO• 杂质原子、离子
光导纤维、MOS半导体
(17) 火焰、燃烧气自由基
气体检测、溶存气体、燃烧机理
g1 =2.067 g2=2.0078
g3 =2.0001
g3 =2.0016
ESR年代测定原理（人为放射线照射方式）
t (千年)
t (时间)
T (年代) -TD (总被辐射量)
I0 I(t) = I0 (1+D’t/TD)
Dt (天然辐射量) 0 D’t (人为辐射量)
L2 Ni3+
L1
L1 = L2 = H2O
L1 = NH3
L2 = H2O
gz
64 3
2
1.5
Fe(III): S=5/2
Fe(III): S=1/2
1000
X 10
Fe(III): S=3/2 3000

电子顺磁共振(ESR)

氘原子的能级（体系的S=1/2, I=1）
[2] 一个未成对电子与多个磁性核的相互作用 ①含有两个I＝1/2的等性核含有两个I 1/2的等性核 CH2 OH基: 未成对电子与两个氢原子等性耦合 CH OH基都无核磁矩）（12C和16O都无核磁矩）
根据跃迁选律只有四个允许跃迁的能量由于中间能级（由于中间能级（MI ＝0）相重合，中间M 相重合，中间MI ＝0处的谱线强度是两侧的二倍，谱线强度是两侧的二倍，最终得到的是三条1:2:1 最终得到的是三条1:2:1 强度的谱线
EPR的灵敏度比的灵敏度比NMR 的灵敏度高， [3]. EPR的灵敏度比NMR 的灵敏度高， EPR检出所需自由基的绝对浓度约在 EPR检出所需自由基的绝对浓度约在数量级。 10-8M数量级。 [4]. EPR 和NMR 仪器结构上的差别: 仪器结构上的差别: 前者是恒定频率，采取扫场法，前者是恒定频率，采取扫场法，后者是恒定磁场，采取扫频法。后者是恒定磁场，采取扫频法
若有n 若有n个I＝1/2的等性核与未成对电子相互 1/2的等性核与未成对电子相互作用则产生n 作用则产生n＋1条等间距的谱线，其强度条等间距的谱线，正比于（正比于（1＋x）n 的二项式展开的系数
②含两个I＝1的等性核含两个I 两个氮核与一个未成对电子有等同的作用 14N核的I＝1，M ＝1,0,-1 核的I 1,0,I
电子的磁共振
[
电子自旋磁矩的磁共振电子轨道磁矩的磁共振
4.5.1 电子顺磁共振基本原理
物质的顺磁性是由分子的永久磁矩引起的根据保里原理: 根据保里原理: 每个分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子，每个分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子，因而各个轨道上已成对的电子自旋运动产生的磁矩是相互抵消的，是相互抵消的，只有存在未成对电子的物质才具有永久磁矩，它在外磁场中呈现顺磁性。永久磁矩，它在外磁场中呈现顺磁性。

电子顺磁共振波谱解析

Lorentz 线型
Y
a 1 bX
2
Gauss 线型 Y aebX 2
1.3.6 g 因子 3400
（1）g因子的概念
但：
9500 2.0023
另外：对于大多数分子，激发态的掺入与取向有关，即表现为各向异性，从而使 g 因子也是各向异性，则 g 因子的大小与自旋体系相对于外磁场的方向有关。g 因子的各向异性通常用一个二级张量形式来描述。
磁矩与磁场相互作用能：
E ˆ Hˆ H cos z H
1.3.3 电子自旋磁矩
❖ 电子自旋磁矩与自旋角动量的关系：
ge 2.0023
e 波尔磁子
2mc
z gM S
其中：M S
1 2
❖ 电子自旋磁矩在外磁场中的能量：
E z H (gM S )H
能级差： E gH
1.3.4 共振条件
第二个氮核进一步发生分裂，
由于作用的强弱与第一个氮核相相同，
所以有部分能级发生重合。
最终产生 5 条谱线，强度比例为： 1：2：3：2：1
如含有：n1 个核自旋为 I1， n2 个核自旋为 I2，： nk 个核自旋为 Ik。
则产生最多(2n1*I1+1) (2n2*I2+1)…(2nk*Ik+1) 条谱线
❖ 久期增宽(Secular Broadening)
Hr H H'
影响H‘的因素：
自旋--自旋相互作用
1. 动态因素热起伏
2. 空间因素
两个顺磁粒子间的相互作用
~
1 r3
(1
3 c os2
)
增大 r的方法：固体同晶形逆磁性 ZnSO4 顺磁性 CuSO4

电子顺磁共振-实验报告

电子顺磁共振实验报告一、实验目的1. 学习电子顺磁共振的基本原理和实验方法；；2. 了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用；3.测定DMPO-OH的EPR 信号。

二、实验原理1.电子顺磁共振（电子自旋共振）电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,EPR)，是指在稳恒磁场作用下，含有未成对电子的原子、离子或分子的顺磁性物质,对微波发生的共振吸收。

1944年，苏联物理学家扎沃伊斯基(Zavoisky)首次从CuCl2、MnCl2等顺磁性盐类发现。

电子自旋共振（顺磁共振）研究主要对象是化学自由基、过渡金属离子和稀土离子及其化合物、固体中的杂质缺陷等，通过对这类顺磁物质电子自旋共振波谱的观测（测量因子、线宽、弛豫时间、超精细结构参数等），可了解这些物质中未成对电子状态及所处环境的信息，因而它是探索物质微观结构和运动状态的重要工具。

由于这种方法不改变或破坏被研究对象本身的性质，因而对寿命短、化学活性高又很不稳定的自由基或三重态分子显得特别有用。

近年来，一种新的高时间分辨ESR技术，被用来研究激光光解所产生的瞬态顺磁物质（光解自由基）的电子自旋极化机制，以获得分子激发态和自由基反应动力学信息，成为光物理与光化学研究中了解光与分子相互作的一种重要手段。

电子自旋共振技术的这种独特作用，已经在物理学、化学、生物学、医学、考古等领域得到了广泛的应用。

基本原理EPR 是把电子的自旋磁矩作为探针，从电子自旋磁矩与物质中其它部分的相互作用导致EPR 谱的变化来研究物质结构的，所以只有具有电子自旋未完全配对，电子壳层只被部分填充（即分子轨道中有单个排列的电子或几个平行排列的电子）的物质，才适合作EPR 的研究。

不成对电子有自旋运动，自旋运动产生自旋磁矩, 外加磁场后，自旋磁矩将平行或反平行磁场方向排列。

经典电磁学可知，将磁矩为μ的小磁体放在外磁场H 中，它们的相互作用能为：E＝-μ· H = -μH cosθ这里θ为μ与H之间的夹角,当θ= 0 时，E = -μH, 能量最低，体系最稳定。

《电子顺磁共振EPR》课件

电子顺磁共振(EPR) PPT课件
contents
目录
• 电子顺磁共振(EPR)简介 • EPR的基本技术 • EPR在来发展与挑战
01
电子顺磁共振(EPR)简介
定义与原理
定义
电子顺磁共振（EPR）是一种研究物质与辐射相互作用的物理方法，通过测量物质中未成对电子在磁场中的共振吸收来获取物质内部结构和电子状态信息。
数据分析
根据EPR谱图的特征峰位置、形状和强度，解析物质内部未成对电子的分布和取向，从而推断出物质的结构和性质。
03
EPR在科学研究中的应用
分子结构和化学环境研究
总结词
EPR技术可以提供分子结构和化学环境的信息，有助于深入了解分子的电子结构和化学键的性质。
详细描述
EPR通过测量电子自旋共振信号的频率和强度，可以推断出分子中电子的分布和跃迁情况，从而揭示分子的结构和化学环境。这对于理解化学反应机理、分子识别和分子设计等领域具有重要意义。
医学研究
EPR用于研究生物组织中的自由基、血红蛋白、肌红蛋白等生物分子的结构和功能，以及与疾病相关的变化。
环境科学
EPR用于研究环境污染物的电子结构和环境因素对其影响。
02
EPR的基本技术
实验设置与设备
实验原理
电子顺磁共振是研究物质中未成对电子的共振现象，通过测量样品在特定频率电磁辐射下的吸收和发射，可以获得关于物质内部
固体材料中的缺陷和掺杂研究
总结词
EPR技术可以用于研究固体材料中的缺陷和掺杂情况，有助于深入了解材料的物理和化学性质。
详细描述
EPR可以检测固体材料中的自由电子和缺陷态电子，通过测量这些电子的自旋共振信号，可以推断出固体材料的结构和性质。这对于研究材料的物理和化学性质、新型材料的设计和开发等领域具有重要意义。

电子顺磁共振(ESR)

—— 半导体中的空穴或电子
可用EPR来作定量研究。
—— 晶格缺陷如：V心：The positive-ion vacancy (V center)
V - center (earlier called V1) (tetragonal symmetry )
F心：an electron in a negative-ion vacancy (F center)
= much higher techniqual requirements, but unique sensitivity to molecular motion
Sensitivity : Factor 1 000 000 better than in NMR !! (1nM instead of 1mM )
直接检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质
电子的磁共振

电子自旋磁矩的磁共振电子轨道磁矩的磁共振
二．电子顺磁共振基本原理
物质的顺磁性是由分子的永久磁矩引起的保里原理:
每个分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子，因而各个轨道上已成对的电子自旋运动产生的磁矩是相互抵消的，只有存在未成对电子的物质才具有永久磁矩，它在外磁场中呈现顺磁性。
Frequency: Factor 1000 larger in EPR ! (GHz instead of MHz) Coupling strength: Factor 1 000 000 larger in EPR ! (MHz instead of Hz) Relaxation Times: Factor 1000 000 smaller in EPR ! (ns instead of ms)
二苯基苦基肼基（DPPH) Diphenyl Picryl Hydrazyl

电子顺磁共振波谱EPRESR概论

一、电子顺磁共振的基本原理
1、概述
电子自旋的磁特性
Joseph John Thomson （英国）
The Nobel Prize in Physics 1906
• In 1891, the Irish physicist, George Stoney, believed that electricity should have a fundamental unit. He called this unit the electron.
• The electron was discovered by J.J. Thomson in 1897. • The electron was the first sub-atomic particle ever found. It
was also the first fundamental particle discovered. • The concept of electron spin was discovered by S.A.
电子的磁矩主要来自自旋磁矩（> 99%）的贡献。
若轨道中所有的电子都已成对，则它们的自旋磁矩就完全抵消，导致分子无顺磁性；
若至少有一个电子未成对，其自旋就会产生自旋磁矩。
因此，EPR研究的对象必须具有未偶电子。
H =0时,每个自旋磁矩的方向是随机的,并处于同一个平均能态。
H≠0时，自旋磁矩就有规则地排列起来（平行外磁场 — 对应能级的能量较低，或反平行于外磁场—对应能级的能量较高）。
• 顺磁性 (B’>0，即B’与B0同向) • 铁磁性 (B’>0，即B’与B0同向， B’随B0增大而急
剧增加，但当B0 消失而本身磁性并不消失) • 反磁性(B’<0，即B’与B0反向) (逆、抗)

顺磁共振电子顺磁共振（ElectronParamagneticResonance简称EPR）或

顺磁共振电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance 简称EPR ）或称电子自旋共振（Electron Spin Resonance 简称ESR ）是探测物质中未耦电子以及它们与周围原子相互作用的非常重要的现代分析方法，它具有很高的灵敏度和分辨率，并且具有在测量过程中不破坏样品结构的优点。

自从1944年物理学家扎伏伊斯基（Zavoisky ）发现电子顺磁共振现象至今已有五十多年的历史，在半个多世纪中，EPR 理论、实验技术、仪器结构性能等方面都有了很大的发展，尤其是电子计算机技术和固体器件的使用，使EPR 谱仪的灵敏度、分辨率均有了数量级的提高，从而进一步拓展了EPR 的研究和应用范围。

这一现代分析方法在物理学、化学、生物学、医学、生命科学、材料学、地矿学和年代学等领域内获得了越来越广泛的应用。

本实验的目的是在了解电子自旋共振原理的基础上，学习用射频或微波频段检测电子自旋共振信号的检测方法，并测定DPPH 中电子的g 因子和共振线宽。

一实验原理原子的磁性来源于原子磁矩。

由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的总磁矩由原子中个电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。

在本单元的基础知识中已经谈到，原子的总磁矩μJ 与P J 总角动量之间满足如下关系：J J BJ P P g γμμ=-= （1－6－1）式中μB 为波尔磁子，ћ为约化普朗克常量。

由上式可知，回磁比Bg μγ-= （1－6－2）按照量子理论，电子的L －S 耦合结果，朗得因子)1(2)1()1()1(1++-++++=J J L L S S J J g （1－6－3）由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献（L ＝0，J ＝S ），则g ＝2。

反之，若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献（S=0，J=1），则g ＝1。

若自旋和轨道磁矩两者都有贡献，则g 的值介乎1与2之间。

因此，精确测定g 的值便可判断电子运动的影响，从而有助于了解原子的结构。

电子顺磁共振

福州大学化学学院高级物理化学实验电子顺磁共振的基本原理和应用The Basic Principle and Applications of Electron Paramagnetic Resonance 张子重 z.zhang@名称电子顺磁共振(EPR) （Electron Paramagnetic Resonance) 电子自旋共振(ESR) (Electron Spin Resonance) 电子磁共振(EMR) (Electron Magnetic Resonance)EPR的基本原理EPR是把电子的自旋磁矩作为探针，从电子自旋磁矩与物质中其它部分的相互作用导致EPR谱的变化来研究物质结构的。

只有含有未成对电子的物质（顺磁性），才适合作 EPR的研究。

Random OrientationNet Magnetisation with Magnetic FieldMacroscopic vs. Microscopic WorldElectron Spin in a Magnetic FieldOne ElectronB0Magnetic FieldEα=1/2gβH能级差为： △E = gβHEβ=−1/2gβHMagnetic field strength (H)Zeeman分裂Magnetic Field B0Frequency Frequency∝ ∝Magnetic MagneticField Field若在垂直稳恒磁场方向加一频率为υ的电磁辐射场，且满足条件： E = hν = gβH 则处在低能态的电子将吸收电磁辐射能量而跃入高能量状态，即发生受激跃迁，这就是EPR现象。

hυ = gβH 称为实现EPR所应满足的共振条件h—Planck常数，β—为Bohr磁子，g —朗德因子; 在自由基体系中(若g=2)施加磁场H=3500 Gs，可以计算出电磁辐射场的频率为υ＝9.79 GHz，该频率属于微波频率范围。

电子顺磁共振

它是直接检测和研究含有未成对电子顺磁
性物质的一种波谱学技术。
It is also often called ESR, Electron Spin Resonance, ESR.
EPR
EPR: Electron paramagnetic resonance ESR: Electron spin resonance EMR: Electron magnetic resonance
• The electron was discovered by J.J. Thomson in 1897. • The electron was the first sub-atomic particle ever found. It
was also the first fundamental particle discovered. • The concept of electron spin was discovered by S.A.
EPR—基本原理
一、电子顺磁共振的基本原理 1、概述
电子自旋的磁特性
EPR—基本原理
Joseph John Thomson （英国）
The Nobel Prize in Physics 1906
• In 1891, the Irish physicist, George Stoney, believed that electricity should have a fundamental unit. He called this unit the electron.
电子具有电荷，同时电子像陀螺一样绕一个固定轴旋转，形成有南北极的自旋磁矩。
EPR—基本原理
EPR—基本原理
Twinkle twinkle little Spin Are you single or are you twin? Are you real or are you false? How I crave your resonant pulse