微波法测电子自旋共振实验

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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：姓名：同组者：教师：实验7-2微波法测电子自旋共振实验【实验目的】1、了解电子自旋共振理论2、掌握电子自旋共振的实验方法3、测定DPPH自由基中电子的g因子和共振线宽【实验原理】1、电子自旋共振基础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

2、磁矩由价电子决定。含有单电子或未偶电子的原子处于基态时，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（）7m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）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，则电子将吸收此旋转磁场的能

3、量，实现能级间的跃迁，即发生电子自旋共振。2、实验装置及原理本实验采用的微波段电子自旋共振实验装置如图7-2-1所示，由永磁铁、X波段（8.5~10.7GHz）3㎝固态微波源、3㎝微波波导元件、样品谐振腔、微波电子自旋共振仪和示波器等六分组成。图7-2-2所示为微波电子自旋共振仪的控制面板。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

4、g值（公认的DPPH的g值为2.0038）十分接近自由电子的g值（2.0023）。图7-2-3DPPH的结构3㎝固态微波源由耿氏二极管（一种体效应管）、变容二极管和矩形波导谐振腔等组成，其振荡频率可通过改变变容二极管的偏压进行电调谐，也可用螺丝钉在外部进行机械调谐。使用微波源时，要特别注意耿氏二极管和变容二极管工作电压的极性及范围，在连接线路和调节时，必须按说明书进行，以免造成损坏。图7-2-1微波段电子自旋共振实验装置框图7图7-2-2微波电子自旋共振仪由微波源产生的微波信号经隔离器和环行器等传输到样品谐振腔。隔离器可以阻断微波传输回路中的反射波进入微波源，以免影响微波源的稳定。环行器

5、则是一种单向传输装置，仅允许微波信号沿特定的环向传输，在有的微波传输装置中，利用魔T和双T等波导元件进行组合来替代环行器。样品谐振腔是安放测试样品的微波谐振腔，为微波段电子自旋共振仪的心脏，样品中产生电子自旋共振所需要的微波能量就是由微波源通过它提供的。在本实验装置中使用的样品谐振腔是矩形反射式谐振腔，它是由宽边为a、窄边为b、长度为l，两端用金属片封闭的一段矩形波导管构成。在一端的金属片上开有一小孔（耦合孔），外部微波从该孔输入，而腔内微波从该孔反射出去。当l满足一定条件时，腔内形成驻波，发生谐振。发生谐振时，腔内只存在特定的电磁场分布（即振荡模式），磁场与电场能量相互全部转换，既不从

6、外部吸收能量，也不向外部辐射能量。由于标准的矩形波导一般设计成只能传输横电波，所以不妨将该振荡模式表示为，其中整数m、n、p分别为沿宽边、窄边和腔长方向分布的驻立半波数。对于比较简单的波，如果腔内是真空或空气介质时，计算表明，当（7-2-8）时，发生谐振。其中（7-2-9）称为波导波长。式中是微波在自由空间的波长，是截止或临界波长。由此可进一步得谐振波长和谐振频率为（7-2-10）7图7-2-4样品放置图谐振波长、谐振频率和腔的形状、体积、波形及腔内介质性质等有关。样品置于谐振腔中微波磁场Hmw（在微波技术中，一般用H而不是B表示磁场）的最大处，使其处于相互垂直的稳恒磁场B0和微波磁场H

7、mw中，与谐振腔一起构成谐振系统，如图7-2-4所示。当满足共振条件，即微波磁场Hmw角频率等于时，样品从微波磁场中吸收能量，破坏谐振状态，造成样品谐振腔的微波反射，反射的微波经环行器进入晶体检波器，由晶体检波器检出形成共振信号。考虑到发生共振时，样品谐振腔内能量下降，为了保证谐振能够持续，必须从外部微波场中补充能量，这就要求外部微波场的频率应等于样品谐振腔的谐振频率。由晶体检波器形成的共振信号分为两路，一路直接传输到示波器的y1（