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1、微波电子顺磁共振实验报告电子顺磁共振实验报告一、实验目的1.学习电子顺磁共振的基本原理和实验方法;；2.了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用；3.测定DMPO-OH的EPR信号。二、实验原理1.电子顺磁共振电子自旋共振(ElectronSpinResonance,ESR)或电子顺磁共振(ElectronParamagnaneticResonance,EPR),是扌旨在稳恒磁场作用下，含有未成对电子的原子、离子或分子的顺磁性物质，对微波发生的共振吸收。1944年，苏联物理学家扎沃伊斯基(Zavoi
2、sky)首次从CuC12、MnC12等顺磁性盐类发现。电子自旋共振研究主要对象是化学自由基、过渡金属离子和稀土离子及其化合物、固体中的杂质缺陷等，通过对这类顺磁物质电子自旋共振波谱的观测，可了解这些物质中未成对电子状态及所处环境的信息，因而它是探索物质微观结构和运动状态的重要工具。由于这种方法不改变或破坏被研究对象本身的性质，因而对寿命短、化学活性高又很不稳定的自由基或三重态分子显得特别有用。近年来，一种新的高时间分辨ESR技术，被用来研究激光光解所产生的瞬态顺磁物质的电子自旋极化机制，以获得分子
3、激发态和自由基反应动力学信息，成为光物理与光化学研究中了解光与分子相互作的一种重要手段。电子自旋共振技术的这种独特作用，已经在物理学、化学、生物学、医学、考古等领域得到了广泛的应用。基本原理EPR是把电子的自旋磁矩作为探针，从电子自旋磁矩与物质中其它部分的相互作用导致EPR谱的变化来研究物质结构的，所以只有具有电子自旋未完全配对，电子壳层只被部分填充的物质，才适合作EPR的研究。不成对电子有自旋运动，自旋运动产生自旋磁矩,外加磁场后，自旋磁矩将平行或反平行磁场方向排列。经典电磁学可知，将磁矩为u的
4、小磁体放在外磁场H中，它们的相互作用能为：E=-11•H=-PHcos9这里0为与II之间的夹角，当0=0时，E=-uH,能量最低，体系最稳定。&二"时，E=uH,能量最高。如果体系从低能量状态改变到高能量状态，需要外界提供能量；反之，如果体系由高能量状态改变为低能量状态，体系则向外释放能量。根据量子力学，电子的自旋运动和相应的磁矩为：卩s=—gBS其中S是自旋算符，它在磁场方向的投影记为MS,MS称为磁量子数，对自由电子的MS只可能取两个值，MS二土1/2,因此，自由电子在磁场中有两个不同的能量
5、状态，相应的能量是：E土二±(l/2)geBH记为：Ea=+(l/2)geBHEB=-(l/2)geBH式中Ea代表自旋磁矩反平行外磁场方向排列，能量最高；EB代表平行外磁场方向排列，能量最低。但当H=0时,Ea=EB,相应的Ms二±1/2的两种自旋状态具有相同的能量。当IIHO时，能级分裂为二，这种分裂称为Zemman分裂。它们的能级差为：AEe=geBH若在垂直稳恒磁场方向加一频率为U的电磁辐射场，且满足条件：hu=gPH式中，h一为Planek常数，B—为Bohr磁子，g一朗德因子；则处在低
6、能态的电子将吸收电磁辐射能量而跃入高能量状态，即发生受激跃迁，这就是EPR现象。因而，hu=gBH称为实现EPR所应满足的共振条件。3.g因子自由电子g=ge=,实际情况下g=h?/?B(H0+H,),g反映分子内部结构本身，而是它对H的一次微分曲线。后者的两个极值对应于吸收曲线上斜率最大的两点，而它与基线的交点对应于吸收曲线的顶点。g值从共振条件hv=g3H看来，h、B为常数，在微波频率固定后，v亦为常数，余下的g与H二者成反比关系，因此g足以表明共振磁场的位置。g值在本质上反映出一种物质分子内
7、局部磁场的特征，这种局部磁场主要来自轨道磁矩。自旋运动与轨道运动的偶合作用越强，则g值对ge的增值越大，因此g值能提供分子结构的信息。对于只含C、H、N和0的自由基，g值非常接近ge,其增值只有千分之几。当单电子定域在硫原子时，g值为。多数过渡金属离子及其化合物的g值就远离ge,原因就是它们原子中轨道磁矩的贡献很大。例如在一种Fe3+络合物中，g值高达。线宽通常用一次微分曲线上两极值之间的距离表示，称“峰对峰宽度”，记作AHpp。线宽可作为对电子自旋与其环境所起磁的相互作用的一种检测，理论上的线宽
8、应为无限小，但实际上由于多种原因它被大大的增宽了。超精细结构如在单电子附近存在具有磁性的原子核，通过二者自旋磁矩的相互作用，使单一的共振吸收谱线分裂成许多较狭的谱线，它们被称为波谱的超精细结构。设n为磁性核的个数，I为它的核自旋量子数，原来的单峰波谱便分裂成条谱线，相对强度服从于一定规律。在化学和生物学中最常见的磁性核为1H及14N,它们的I各为1/2及1。如有n个1H原子存在，即得条谱线，相对强度服从于n中的二项式分配系数。如有n个14N原子存在，即得条谱线，相对强度服从于n中的
