电子顺磁共振实验讲义

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1、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2009.1.2015-15-电子顺磁共振实验电子自旋共振(ElectronSpinResonance,ESR)又称电子顺磁共振(ElectronParamagneticResonance,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

2、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

3、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PJ之间满足如下关系：(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15-15-(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，(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）

4、，则g=2。反之，若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献（S=0，J=L），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的数值便可判断电子运动的影响，从而有助于了解原子的结构。将原子磁矩不为零的顺磁物质置于外磁场B0中，则原子磁矩与外磁场相互作用能由决定，相邻磁能级之间的能量差(4)如果垂直于外磁场B0的方向上施加一幅值很小的交变磁场B1cosωt，当交变磁场的角频率ω满足共振条件(5)时，则原子在相邻磁能级之间发生共振跃迁。这种现象称为电子自旋共振，又叫顺磁共振。由

5、(2)和(5)两式可解出g因子：(6)式中为共振圆频率，为约化普朗克常数，。因此通过共振频率和外磁场磁感应强度的测量可以确定g因子。B、仪器实现本实验所用的FD-TX-ESR-II型顺磁共振实验仪采用两种方式检测共振信号，低频大调场视频检测或高频小调场相敏检测。低频大调场视频检测，需要在稳恒磁场上叠加一个低频调制场，调制场的调制幅度大于共振谱线的线宽，调制磁场一个周期通过共振点两次，通过视频检波在示波器上看到两个磁共振信号。当射频场（或微波场）角频率15-15-满足共振条件时，即时谱线为等间隔分布

6、，此时B’=0，共振磁场为B0。高频小调场相敏检测，检测的共振信号为微分信号。小调场的幅度要比吸收线的宽度小得多。通常选择为略小于共振线宽的1/10。共振时应对吸收曲线的斜率取样，共振信号电平与吸收曲线的一级微商成正比，小调场的相敏检测过程如图1所示。当直流磁场慢慢增大至进入吸收曲线附近时，由于小调场调制的结果，输出微波的幅度将是调制的，虽然小调场的调制幅度没变，输出微波的幅度却随共振线的斜率不同而改变，有时甚至为零。经晶体检波后但未经过相敏检波的信号如图1（b）所示，信号的包络线对应着共振信号，

7、频率等于调制信号的频率，包络内左右两部分的调制信号相位是反相的。经过相敏检波及低通滤波器后检出共振信号的微分信号如图1（c）所示。微分信号的的峰谷值对应的磁场间隔为吸收线宽，记为；微分信号与横轴的交点为共振磁场。ΔBB0相敏检波后的微分信号小调场信号（a）（b）（c）p’’晶体检波后的信号图1小调场相敏检测处理过程C、实验样品15-15-图2DPPH分子结构图本实验的样品为DPPH(Di-PhehcrylPicrylHydrazal)，化学名称是二苯基苦酸基联氨，其分子结构式为（C6H5）2N-N

8、C6H2·（NO2）2，如图2所示。它的第二个氮原子上存在一个未成对的电子，构成有机自由基，实验观测的就是这类电子的顺磁共振现象。一.实验仪器图3FD-TX-ESR-II电子顺磁共振仪构成图FD-TX-ESR-II电子顺磁共振仪的结构如图3所示，它是由电子顺磁共振仪主机、磁铁、示波器、微波系统（包括微波源、隔离器、阻抗调配器、钮波导、直波导、可变短路器及检波器）构成的。15-15-FD-TX-ESR-I电子顺磁共振仪电源直流调节扫描调节扫频开关X轴幅度X轴相位直流输出+-扫描输出X