电子自旋共振波谱仪ESR

磁矩在磁场中的塞曼能级分裂
相邻能级能量间隔与外磁场磁感应强度成正比。
E B0
此时若沿垂直磁场方向施加一交变的磁场，当交变磁 场的能量子 E B g B B 时，原子在相邻塞曼能 级之间发生共振跃迁，对入射的交变磁场产生强烈吸 收，此即为电子自旋共振。通过测量共振频率ω 和对 应的外磁场B，可计算原子的g因子：
X 轴幅度
X轴相位
in
out
X-out
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。
O2N
N
Байду номын сангаас
N
.
NO2
O2N
DPPH分子结构图
四、实验仪器
扫描线圈 电磁铁
5
3 2
1
4
6
FD-ESR-II电子顺磁共振仪构成图
继续
1、微波源：
变容二极管
体效应管
g / B B
由原子物理可知： 原子磁矩完全由电子自旋磁矩贡献：g=2 原子磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献：g=1 通过g因子的测量可以判断电子运动的情况，进而可以 得知关于原子结构的信息。
实现共振的方法
为满足共振条件 E B 可采用两种方法：扫场 法、扫频法，本实验采用扫场法。 微波源频率固定(9.37GHz)，连续改变外磁场的磁感应 强度，当满足共振条件时发生电子自旋共振。
二、实验目的
了解电子顺磁共振的原理。 掌握FD-ESR-II型电子顺磁共振谱仪的调 节和使用方法。 利用电子顺磁共振谱仪测量 DPPH的g因子。
J g
B
PJ PJ
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：
g
B
P P
g ：朗德因子。
顺磁共振、光磁共振、铁磁共振。如果磁共振是由物
质原子中的电子自旋磁矩引起的，则称电子自旋共振
（ESR）,也称为电子顺磁共振(EPR) 。
一、背景介绍 －－历史

1924泡利（Wolfgang Pauli ）在研究光谱的精 细结构时提出电子具有自旋磁矩的设想。
Wolfgang Pauli (1900-1958) 诺贝尔物理学奖 (1945年)
5、阻抗调配器
吸收曲线 色散曲线
它的主要作用是改变微波系统的负载状态。在本实验中主要作 用是观察吸收、色散信号。
6、谐振腔：
A
谐振腔耦合膜片
B 可变短路调节器
样品
通过调节可变短路调节器的位置，使微波在谐振腔内形成 驻波，得到最强的电子顺磁共振信号。
电子顺磁共振仪
直流调节 扫描调节 on 电源 直流输出 扫描输出 扫频开关 off 信号
频率调节
电源输入端+12V
微波源由体效应管、变容二极管、频率调节组成。 用于输出频率为9.37GHz的微波。
2、隔离器：
1
2
特点：具有单向传输功能，减少反射波对微波源的干扰。 1输入，2输出 基本无衰减 2输入，1输出 有极大的衰减
3、环形器
1
3
2
环形器具有定向传输功能。 1输入，2输出无衰减，3输出衰减>30db 2输入，3输出无衰减，1输出衰减>30db 3输入，1输出无衰减，2输出衰减>30db
B ΔB
B0
t 20ms B
V
V 10ms 20ms
t
ESR 和NMR 的区别：
[1]. ESR 是研究电子磁矩与外磁场的相互作用，即通常 认为的电子塞曼效应引起的，而NMR 是研究核磁矩在 外磁场中核塞曼能级间的跃迁。 换言之，ESR 和NMR 是分别研究电子磁矩和核磁矩在 外磁场中重新取向所需的能量。 [2]. ESR 的共振频率在微波波段。（9.37GHz） NMR 的共振频率在射频波段。（～23MHz） [3]. ESR的灵敏度比NMR 的灵敏度高，ESR检出所需自 由基的绝对浓度约在10-8M数量级。
4、晶体检波器
Q9输出头
调节螺丝
短路活塞 检波二极管
测量时要反复调节波导终端的短路活塞的位置以及输入前端三 个螺钉的穿伸度，使检波电流达到最大值，以获得较高的测量 灵敏度。
检波晶体管结构图
金属
金属丝 半导体 瓷壳 金属
检波晶体上的电压V与微波中的电场强度E成正比。为获得 最大的检波信号输出，调节短路活塞位置，使它与晶体的 距离约为λ /4,使晶体处于电场最大（驻波波腹）处。
一、背景介绍 －－历史
1944年前苏联的扎沃依斯基首次观察到电子 顺磁共振现象。随后电子顺磁共振逐步被用于 科学研究。
Yevgeny Zavoisky (1917-1976)
一、背景介绍 －－应用
电子自旋共振研究的对象是具有未偶（未配对）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、材料、生物、医学等领域有广泛的应用。
电子自旋共振波谱仪 （ESR ）
MiniScope MT400
提 纲


一、背景介绍 二、实验目的 三、实验原理 四、实验仪器 五、实验内容与步骤 六、注意事项 七、思考题
一、背景介绍 －－概念
磁共振是指磁矩不为零的原子或原子核在 稳恒磁场作
用下对电磁辐射1能的共振吸收现象,包括核磁共振 、
9.37G微波辐射
扫场法检测共振信号
B=B0+B’sinωt
通过调节励磁线圈的直流电流，改变恒定磁场的大小，当恒定 磁场B0＝2 ν/γ时，共振吸收信号等间距排列。此时对应的恒定 磁感应强度即为共振条件方程中所对应的磁场强度。利用特斯 拉计测量该磁感应强度代入共振方程可得g因子的值。
扫场法测g因子
e μB ：玻尔磁子， 2m e P ：电子自旋角动量
g B
：旋磁比
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：
E B Z B mg B B
m ：磁量子数，对于自由电子，m取1/2、-1/2。
可见，外磁场导致原来简并的原子态发生塞曼能级分 裂，相邻能级能量间隔为 E g B B B 。