电子顺磁共振
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电子顺磁共振
电子顺磁共振实验
• 背景知识 • 实验目的 • 实验原理 • 实验仪器 • 实验内容 • 注意事项 • 课堂思考
一.背景知识
共振：当外界的振动频率与系统的固有振动频率非常接近时，系
统的振动振幅增强；当二者的频率相同时，系统的振动振幅将急 剧增加，产生所谓的共振吸收。
磁共振：
狭义
物质的磁矩系统在恒定磁场和交变磁场的共同作用下， 当恒定磁场强度与交变磁场频率满足一定关系时，磁 矩系统从交变磁场吸收能量。
为何？
E
Zeeman能级劈裂
E = g μBB0 /2
H
H0
E = g μBB0 /2
相邻磁能级之间的能量差 E gBB0
如果在垂直于H的方向上施加频率为hυ的电磁波，当满足下面 条件
hυ= gμBB0 处于两能级间的电子发生受激跃迁，导致部分处于低能级中的 电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中 --------顺磁共振现象
观察共振信号波形，李萨如图形和色散图 形；
测定DPPH中电子的g因数。
三.实验原理
电子的自旋运动产生自旋磁矩。自旋磁
矩与自旋角动量之间的关系为：
J
g
B
PJ
PJ
e
g：朗德因子
μB ：玻尔磁子 2me
P：电子自旋角动量
g
B
:磁旋比（回磁比）
当电子磁矩μ处于外恒定磁场B（假设沿Z轴）中时，电子磁矩与 外磁场发生相互作用，相互作用能为：
EPR波谱仪记录的吸收信号一般是一次微分线型：
实验仪器
实验内容
熟悉电子自旋共振原理和仪器使用，正确连接实验 仪器；
调节得到电子自旋共振吸收和色散信号，并利用示 波器观察信号，记录信号图形；
利用特斯拉计测量恒定磁场强度，并与理论估算结 果相比较；
根据测得的恒定磁场值，计算出DPPH样品的g因子。
实验步骤
打开各部分仪器电源（包括特斯拉计），检查微波系统是否保持水平，样品是否
处于磁场中央； 很重要，为何？ 调节检波器旋钮，同时观察示波器，使直流信号输出最大； 为何？ 调节短路活塞，同时观察示波器，使直流信号输出最小； 为何？
将示波器输入通道换至交流档，幅度调为5mV档，观察示波器的同时依次调节阻 抗调配器、直流输出和扫描输出（也可以再次调节短路活塞和检波器旋钮），直 至观察到最好的共振吸收信号为止；
广义
电荷或者磁矩（自旋）在恒定磁场和交变磁场的共同 作用下，当恒定磁场强度与交变磁场频率满足一定关 系时，电荷或者磁矩系统从交变磁场吸收能量。
电子顺磁共振的发现
电子顺磁共振(简称EPR)，是1944年由扎伏伊斯 基首先观察到。它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方法，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。目前它在化学、物理、生物和医学等各方 面都获得了广泛的应用。
E B Z B mgBB
朗得因子（g因子） g 1 J (J 1) S(S 1) L(L 1)
2J (J 1)
原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献
g＝2
原子的磁矩完全由电子轨道磁矩贡献
g＝1
原子的磁矩由两种电子磁矩共同贡献
g＝1～2
精确测量g因子可以了解顺磁物质 的化学键和分子或原子结构的信息
注意保持微波系统的水平，样品腔应调整至磁场中心 位置；
调节微波信号时，注意要缓慢调节各部分旋钮，并时 刻注意波形变化；
注意不要磕碰特斯拉计探头，避免造成损坏。
课堂思考
如何判断样品腔位置处于磁场中心位置？ 你觉得用特斯拉计所测得磁场与估算磁场差别何在？
预祝大家实验顺利完成！ 谢 谢！
实验样品
本实验采用的样品为DPPH（二苯基苦酸基联氨 ）， 它的第二个氮原子上存在一个未成对的电子，我们 观察到的共振信号就是源于这类电子。
DPPH分子结构图
二.实验目的
熟悉微波器件的特征和各微波器件的作用 以及调节方法；
在了解电子自旋共振原理的基础上，学习 用微波频段检查电子自旋共振信号的方法；
静磁场下热平衡时，高低能级 的粒子数遵从玻尔兹曼分布
N2 eE kT N1
ΔE<<kT
N2 1 E
N1
kT
ΔE/kT > 0
N2 N1
EPR信号强度（分辨率） 与哪些因素有关？
高能级的跃迁占主导，EPR表现为对交变磁场能量的净吸收
受激跃迁产生的吸收信号经电子学系统处理可得到 EPR吸收谱线，一般为高斯或洛仑兹线型：
本实验是否顺利之关键！为何要调节如此多旋钮？
再次调节阻抗调配器，观察色散波形； 利用已知仪器参数，估算出本实验所采用磁场大小，再利用特斯拉计测量样品所
加磁场大小，比较测得磁场与估算磁场异同并分析原因，根据测得磁场计算出样 品的g因子。
注意事项
实验中采用部分Q9连接线，注意不要生拉硬扯，避免 损坏接线；
电子顺磁共振实验
• 背景知识 • 实验目的 • 实验原理 • 实验仪器 • 实验内容 • 注意事项 • 课堂思考
一.背景知识
共振：当外界的振动频率与系统的固有振动频率非常接近时，系
统的振动振幅增强；当二者的频率相同时，系统的振动振幅将急 剧增加，产生所谓的共振吸收。
磁共振：
狭义
物质的磁矩系统在恒定磁场和交变磁场的共同作用下， 当恒定磁场强度与交变磁场频率满足一定关系时，磁 矩系统从交变磁场吸收能量。
为何？
E
Zeeman能级劈裂
E = g μBB0 /2
H
H0
E = g μBB0 /2
相邻磁能级之间的能量差 E gBB0
如果在垂直于H的方向上施加频率为hυ的电磁波，当满足下面 条件
hυ= gμBB0 处于两能级间的电子发生受激跃迁，导致部分处于低能级中的 电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中 --------顺磁共振现象
观察共振信号波形，李萨如图形和色散图 形；
测定DPPH中电子的g因数。
三.实验原理
电子的自旋运动产生自旋磁矩。自旋磁
矩与自旋角动量之间的关系为：
J
g
B
PJ
PJ
e
g：朗德因子
μB ：玻尔磁子 2me
P：电子自旋角动量
g
B
:磁旋比（回磁比）
当电子磁矩μ处于外恒定磁场B（假设沿Z轴）中时，电子磁矩与 外磁场发生相互作用，相互作用能为：
EPR波谱仪记录的吸收信号一般是一次微分线型：
实验仪器
实验内容
熟悉电子自旋共振原理和仪器使用，正确连接实验 仪器；
调节得到电子自旋共振吸收和色散信号，并利用示 波器观察信号，记录信号图形；
利用特斯拉计测量恒定磁场强度，并与理论估算结 果相比较；
根据测得的恒定磁场值，计算出DPPH样品的g因子。
实验步骤
打开各部分仪器电源（包括特斯拉计），检查微波系统是否保持水平，样品是否
处于磁场中央； 很重要，为何？ 调节检波器旋钮，同时观察示波器，使直流信号输出最大； 为何？ 调节短路活塞，同时观察示波器，使直流信号输出最小； 为何？
将示波器输入通道换至交流档，幅度调为5mV档，观察示波器的同时依次调节阻 抗调配器、直流输出和扫描输出（也可以再次调节短路活塞和检波器旋钮），直 至观察到最好的共振吸收信号为止；
广义
电荷或者磁矩（自旋）在恒定磁场和交变磁场的共同 作用下，当恒定磁场强度与交变磁场频率满足一定关 系时，电荷或者磁矩系统从交变磁场吸收能量。
电子顺磁共振的发现
电子顺磁共振(简称EPR)，是1944年由扎伏伊斯 基首先观察到。它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方法，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。目前它在化学、物理、生物和医学等各方 面都获得了广泛的应用。
E B Z B mgBB
朗得因子（g因子） g 1 J (J 1) S(S 1) L(L 1)
2J (J 1)
原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献
g＝2
原子的磁矩完全由电子轨道磁矩贡献
g＝1
原子的磁矩由两种电子磁矩共同贡献
g＝1～2
精确测量g因子可以了解顺磁物质 的化学键和分子或原子结构的信息
注意保持微波系统的水平，样品腔应调整至磁场中心 位置；
调节微波信号时，注意要缓慢调节各部分旋钮，并时 刻注意波形变化；
注意不要磕碰特斯拉计探头，避免造成损坏。
课堂思考
如何判断样品腔位置处于磁场中心位置？ 你觉得用特斯拉计所测得磁场与估算磁场差别何在？
预祝大家实验顺利完成！ 谢 谢！
实验样品
本实验采用的样品为DPPH（二苯基苦酸基联氨 ）， 它的第二个氮原子上存在一个未成对的电子，我们 观察到的共振信号就是源于这类电子。
DPPH分子结构图
二.实验目的
熟悉微波器件的特征和各微波器件的作用 以及调节方法；
在了解电子自旋共振原理的基础上，学习 用微波频段检查电子自旋共振信号的方法；
静磁场下热平衡时，高低能级 的粒子数遵从玻尔兹曼分布
N2 eE kT N1
ΔE<<kT
N2 1 E
N1
kT
ΔE/kT > 0
N2 N1
EPR信号强度（分辨率） 与哪些因素有关？
高能级的跃迁占主导，EPR表现为对交变磁场能量的净吸收
受激跃迁产生的吸收信号经电子学系统处理可得到 EPR吸收谱线，一般为高斯或洛仑兹线型：
本实验是否顺利之关键！为何要调节如此多旋钮？
再次调节阻抗调配器，观察色散波形； 利用已知仪器参数，估算出本实验所采用磁场大小，再利用特斯拉计测量样品所
加磁场大小，比较测得磁场与估算磁场异同并分析原因，根据测得磁场计算出样 品的g因子。
注意事项
实验中采用部分Q9连接线，注意不要生拉硬扯，避免 损坏接线；