电子自旋共振(射频) (340)

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1、中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：班级：应用物理学09-2班姓名：王国强同组者：庄显丽教师：电子自旋共振（射频）一、基础知识原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋，其自旋角动量为（7-2-1）其中S是电子自旋量子数，。电子的自旋角动量与自旋磁矩间的关系为（7-2-2）其中：为电子质量；，称为玻尔磁子；g为电子的朗德因子，具体表示为（7-2-3）J和L为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数，。对于单电子原子，原子的角动量和磁矩由单个电子决定；对于多电子原子，原子的角动量和磁矩由价电子决定。含有单电子或未偶电子的原子处

2、于基态时，L=0，J=S=1/2，即原子的角动量和磁矩等价于单个电子的自旋角动量和自旋磁矩。设为电子的旋磁比，则（7-2-4）电子自旋磁矩在外磁场B（z轴方向）的作用下，会发生进动，进动角频率ω为（7-2-5）由于电子的自旋角动量的空间取向是量子化的，在z方向上只能取（）m表示电子的磁量子数，由于S=1/2，所以m可取±1/2。电子的磁矩与外磁场B的相互作用能为（7-2-6）8相邻塞曼能级间的能量差为（7-2-7）如果在垂直于B的平面内加横向电磁波，并且横向电磁波的量子能量正好与△E相等时，即满足电子自旋共振条件时，则电

3、子将吸收此旋转磁场的能量，实现能级间的跃迁，即发生电子自旋共振。B1可以在射频段由射频线圈产生，也可以在微波段由谐振腔产生，由此对应两种实验方法，即射频段电子自旋共振和微波段电子自旋共振，以下分别进行介绍。【实验方法1—射频段电子自旋共振】1、实验装置及原理射频段的电子自旋共振实验装置及仪器如图7-2-1所示，为了实验方便，图7-2-2给出了DS—1型（中山大学）电子自旋共振仪控制面板和接线方式。从图中可以看到，外磁场B0由亥姆霍兹螺线管（稳恒磁场线圈）产生，稳恒磁场线圈与扫场线圈结合在一起。稳恒磁场线圈的轴线中心处垂直

4、放置射频线圈，产生旋转磁场。图7-2-1射频段电子自旋共振实验装置框图8图7-2-2DS—1型电子自旋共振仪面板和接线图图7-2-3DPPH的结构样品就放在射频线圈内。本实验用的样品是含有自由基的有机物DPPH，因为它有非常强的共振吸收，即使只有几毫特的磁场（对应的几十兆赫的射频波段），也能观察到明显的共振吸收信号，因此将它作为电子自旋共振实验的一种标准样品。其分子式为，结构式如图7-2-3所示。它的一个氮原子上有一个未成对的电子，构成有机自由基，实验表明，自由基的g值（公认的DPPH的g值为2.0038）十分接近自由电

5、子的g值（2.0023）。稳恒磁场线圈轴线中心处的磁感应强度可以根据线圈中的电流I（通过磁场调节旋钮控制并由电流表检测）和线圈参数得到，公式为（7-2-8）其中，为真空磁导率；N、L和D分别为线圈匝数、线圈长度和线圈直径。同核磁共振实验一样，为了提高信噪比，并获得稳定的共振信号，也要在稳恒磁场B0上加一个交变低频调制磁场（即扫描磁场，），其由扫场线圈产生，频率是50Hz，幅度可由扫场调节旋钮控制。这样，样品所在的实际磁场应为，这个周期变化的磁场将引起相应的进动角频率也周期性地变化。如果旋转磁场的角频率为ω，则当扫过ω所对

6、应的共振磁场8时，就会发生共振。发生共振时，样品从旋转磁场中吸收能量，导致射频线圈品质因数的改变，从而形成共振信号，由检波器检测并输出给示波器显示。用内扫法在示波器上观察到的共振信号如图7-2-4所示，从中可以看出不同形状的共振信号与调制磁场幅度及相位间的关系。很明显，图7-2-4（c）表示的共振信号是最有价值的，此时调制磁场，只要计算出B0，测量出共振角频率，就可以根据（7-2-7）式计算旋磁比γ和朗德因子g。图7-2-4射频段电子自旋共振信号（内扫法）图7-2-5共振信号的李萨如图形如果将调制信号也输出至示波器作为横

7、扫描信号（移相法），则可以在示波器上观察到共振信号的李萨如图形，如图7-2-5所示。【数据记录及处理】1.调节电子自旋共振仪的频率调节旋钮，记录频率范围如下23.86494MHZ

8、926.008010.1760.1820.1860.1940.199频率MHZ反电流A反24.0090324.5075025.0070225.5018226.008190.1360.1420.1460.1490.152依据计算朗德g因子磁场正向时=1.364=1.346=1.344=1.314=1.306g平均值：其