电子自旋共振ESR）实验

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1、电子自旋共振(ESR)实验泡利(Pauli)在1924年提出电子自旋的概念，可以解释某些光谱的精细结构。1944年，原苏联学者扎沃依斯基(E．K．ЗАБОИСКИИ)首先观察到电子自旋共振现象。电子自旋共振(ESR)的研究对象是含有未偶电子(或称未配对电子)的物质。通过对这些物质ESR谱的研究，可以了解有关原子、分子及离子中未偶电子的状态及其周围环境的信息，从而获得物质结构方面的知识。这一方法具有很高的灵敏度和分辨力，而且在测量过程中不破坏样品的物质结构，因此，在物理、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。此外，ESR也是精确测量磁场的重要方法之一。一、实验原

2、理ESR的基本原理与NMR相似，下面作简要说明。按照量子力学，电子自旋角动量，其中，为电子自旋量子数，为普朗克常数。电子自旋磁矩与电子自旋角动量的关系式为(1)式中，为电子电荷，为电子质量，称为朗德因子，对自由电子来说，。当电子处于稳恒磁场中时，原来的单个能级将劈裂为两个能级，如图1所示。相邻能级的间隔为(2)式中，称为玻尔磁子，是稳恒磁场的磁感应强度。图1电子能级分裂示意图根据磁共振原理，如果在与垂直的平面内，施加一个频率为的交流磁场，当满足条件(3)电子就会吸收磁场的能量．从下能级跃迁到上能级。这就是电子自旋共振现象。因角频率,上式可改定为(4)或(5)由电

3、子自旋共振测出和为常数，就可求得电子荷质比。因玻尔磁子约为核磁子的1836倍，即电子自旋磁矩比核磁矩大三个数量级，在同样磁场作用下，电子塞曼能级之间的间距比核塞曼能级间距大得多。根据玻尔兹曼分布定律，上、下能级间的粒子数差额也大得多。因此，电子自旋共振信号比核磁共振信号强很多。磁感应强度为0.1～1特斯拉时，核磁共振发生在射频范围，电子自旋共振则发生在微波频率范围。然而，对于电子自旋共振，即使在较弱的磁场下，例如，在射频也能观察到电子自旋共振现象。本实验是在弱磁场下，用较简单的实验装置观察电子自旋共振现象。二、实验装置实验装置示意如图2所示，它由ESR电源，探测

4、器／边限振荡器、示波器、标准高频信号发生器、直流稳态电源、安培表、滑线变阻器等组成。图2实验装置图稳恒磁场和扫场用同一螺线管产生，螺线管直径厘米，长厘米，线圈总匝数为300匝。螺线管中部磁感应强度可由下式计算：(特斯拉)(6)式中，为螺线管单位长度的匝数(匝／米)，为电流(安培)。ESR电源供给螺线管50Hz的扫场电流，它也是探测器／振荡器的电源。边限振荡器的振荡线圈(样品置于其中)，其轴线方向与螺线管轴线方向垂直，即使射频磁场与螺线管磁场相互垂直。振荡线圈既用于产生也用于接收共振信号。共振信号由示波器进行观察。直流电源供给螺线管直流电流，它与扫场电流进行迭加，

5、以测定共振磁场的大小。实验样品是DPPH，它名称为二苯基苦酸基联氨，分子式为，结构式如图3所示，其中-N原子少一个共价键，即有一个未偶电子。DPPH一般为多晶体，平均值为2.00360.0003，非常接近自由电子的值。图3DPPH分子式及未偶电子示意图图4不等距时的ESR信号三、实验内容和要求1．电子自旋共振信号的观察按图2接线，在射频线圈中放入DPPH样品，套上螺线管，即把螺线管沿轴线上推至最高处，接通ESR电源和扫场开关。此时，扫场电流频率50Hz，相应样品处的磁场为增大扫场电流，并适当调节边限振荡器反馈旋钮，当满足电子自旋共振条件时，示波器上现ESR信号，

6、每一周期最多可出现四次，一般情况下，它们是不等距的，如图4所示，为共振磁场的大小。调节扫场电流从小至大，记录荧光屏上ESR信号的变化，并加以说明。2．共振磁场的测量为了测定共振发生时磁场的大小，采用直流场与交流场迭加的方法。这可以在ESR电源端输入一直流电流来实现(见图2)。此时，螺线时通入直流和交流电流。实验时，直流电流从零开始一边增大直流，一边减小交流，从示波器上可看ESR信号，有些相互离开，有些相互靠近，甚至合一，最后消失。上述过程调节到ESR信号等距，如5所示。此时，改变交流电流的大小，信号间距保持不变，而直流电流的数值就是产生共振磁场所需的电流。由于共

7、振磁场值不大，地磁的影响不能忽略，为了减小地磁的影响，可把直流电流测出正、反方向共振磁场的电流和，取，进行计算。(1)调节直流电流由小至大，交流电流由大至小，记录荧光屏上ERS信号的变化，并加以说明。(2)测定共振磁场的电流，并探讨如何使地磁影响最小。3．谱线宽度(半高宽度)的测量ESR谱线具有一定的宽度，其与电子在上能线的寿命有关，根据测不准原理，有为谱线宽度，为能级寿命，电子在上能级的寿命缩短，将导致谱线加宽，它反映了粒子间相互作用的信息，是电子自旋共振谱的一个重要参数，因为(7)故线宽又可用表示。可用下述方法测出。当示波器显示等距ESR信号时，即调制场在过

8、零时发生共振，设为调制场