实验8 微波铁磁共振实验
铁磁共振（FMR ）具有磁共振的一般特性，铁磁共振观察的对象是铁磁物质中的未偶电子，因此可以说它是铁磁物质中的自旋共振。但是铁磁物质中由于电子自旋之间存在着强耦合作用，使铁磁物质内存在着许多自发磁化的小区域——磁畴（每个磁畴约占39cm 10-的体积、约含1510个原子），每个磁畴都有一定的磁矩，由电子自旋磁矩自发取向一致产生。在外磁场作用下，各磁畴趋向外磁场方向，表现出很强的磁性。
微波铁磁共振是指铁磁物质处在频率为0f 的微波电磁场中，当改变外加恒磁场的大小时，发生共振吸收现象。各种磁共振一般都处在广义的微波波段。因此，微波磁共振是探测物质微观结构的有效手段，广泛用来研究物质的特性、结构和弛像过程。
谐振腔是常用的微波元件之一，在微波技术中一般用作谐振腔波长计、微波电子管的组成部分或测量腔等。通过实验可以对谐振腔的结构、谐振条件、振荡模式和品质因数等有一定的了解。
【实验目的】
1.
熟悉微波信号源的组成和使用方法，掌握有关谐振腔的工作特性的基本知识。 2. 了解用谐振腔法观测铁磁共振的测量原理和实验条件。
3. 通过观测铁磁共振和测定有关物理量，认识磁共振的一般特性。
4.
观测铁磁共振曲线，测量共振磁场和共振线宽，计算出材料的g 因子和弛豫时间。
【实验原理】
一．传输式谐振腔
一个封闭的金属导体空腔可以用来做微波谐振腔。由一段标准矩形波导管，在其两端加上带有耦合孔的金属板，就构成一个传输式谐振腔。
1. 谐振条件：谐振腔发生谐振时，腔长l 必须是半个波导波长的整数倍，即
2
g
l λρ=?
其中g λ=
，f c =
λ 这里，f 为谐振频率（可记为f 0）。上述三式在设计谐振腔时常要用到。
2．振荡模式：谐振腔中某种振荡状态（某种确定的电磁场分布）称为振荡模式。 3．品质因数：品质因数Q 的一般定义是
0W Q W ω=耗
储
Q 值的高低表示谐振腔效率的高低和频率选择性的好坏。一个含有样品（例如微波铁氧体样品）的传输式谐振腔，在定义样品的磁品质因数sm Q 和电品质因数se Q 后，可以写出有载品质因数Q L 的表达式，这里W 磁耗和W 电耗分别表示样品每秒的磁损耗和电损耗。
4．谐振曲线：传输式谐振腔的传输系数与频率的关系曲线)(f T 称为谐振曲线（参见图8-1）。有载品质因数Q L 由下式确定：
210
f f f Q L -=
式中f 0为腔的谐振频率，21f f -为2/)(0f T 所对应的频率间隔。
图8-1传输式谐振腔的谐振曲线 图8-2 铁磁共振曲线
二．磁共振现象
处于微波磁场h 和恒定磁场H （沿z 轴）中的微波铁氧体，微波感应强度b 可表示成
h b ?=μμ0
其中μ0为真空磁导率，而
z 0000ik ik μμμ
μ??
??=??????
称为磁导率张量，它的元素是复数，i μμμ'''=-，k =k -ik ''',z z
z i μμμ'''=-。实部表式（频散）特性，虚部表式损耗特性。
我们知道，微波铁氧体处在频率为f 0的微波磁场中，当改变加到铁氧体样品上的恒磁场H 时将发生铁磁共振现象。这时磁导率张量对角元μ的虚部μ''与恒磁场H 的关系曲线上出现共振峰
（见图8-2），μ''的最大值z
μ'' 对应的磁场H r 称为共振磁场，z 2/μμ''''=两点所对应的磁场间隔12H H -称为铁磁共振线宽ΔH 。ΔH 是描述微波铁氧体材料性能的一个重要参量，它的大小标志着磁损耗的大小，测量ΔH 对于研究铁磁共振的机理和提高微波器件的性能是十分重要的。
为什么会发生铁磁共振现象呢？从宏观唯象理论来看，铁氧体的磁矩M 在外加恒磁场H 的作用下绕着H 进动，进动频率。H γω=，γ为回磁比。由于铁氧体内部存在阻尼作用，M 的进动角会逐渐减小，结果M 逐渐趋于平衡方向（H 的方向）。当外加微波磁场h 的角频率与M 的进动频率相等时，M 吸收外界微波能量，用以克服阻尼并维持进动，这就发生共振吸收现象。
多晶体样品发生铁磁共振时，共振磁场r H 从与微波角频率r ω满足下列关系式（适用于无限大介质或球形样品）：
r r H γω=
其中
m e
g
20μγ=
式中g 为朗德因子；e 为电子电量，e = 1.6022×10-19C ；m 为微电子质量，m = 9.109×10-31kg
从量子力学观点来看，当电磁场的量子ωh 刚好等于系统M 的两个相邻塞曼能级间的能量差时，就发生共振现象。这个条件是
02e
h h E Hg
m m
μω=?=?
吸收过程中发生选择定则1-=?m 的能级跃迁，这时上式变成H h h γω=与经典结果
H r γω=一致。
当磁场改变时，M 趋于平衡态的过程称为弛豫过程。弛豫所需的特征时间（M 在趋于平衡态过程中与平衡态的偏差量减少到初始值的1/e 时所经历的时间）称为弛豫时间。M 在外加磁场方向的分量趋于平衡值所需的特征时间称为纵向弛豫时间1τ；M 在垂直于外加磁场的分量趋于平衡值的特征时间称为横向弛豫时间2τ。在一般情况下，12ττ=，22/h τγ=?，为了方便，把1τ和2
τ统称为弛豫时间τ，则有
H
?=
γτ2
量子力学给出了驰豫过程的微观机制，M 的进动能量通过磁矩间的相互作用转化为磁矩的其它运动方式的能量，或者通过磁矩与晶格的耦合转化为晶格的振动能量。前者称为自旋~自旋弛豫，后者称为自旋~晶格弛豫。自旋~自旋弛豫时间和自旋~晶格弛像时间分别相应于经典的横向和纵向弛豫时间。弛豫时间τ与ΔH 之间的重要关系式（见上式）可以由量子力学的测不准原理推出。弛豫时间代表塞曼能级的平均寿命，根据测不准原理，塞曼能级的宽度E h /τ?∝，故有1H /ωγτ?==?∝。测量弛豫时间对于研究分子运动及其相互作用是很有意义的。 三．测量铁磁共振线宽的原理和实验条件
1．谐振腔的微扰公式
测量铁氧体的微波性质（例如铁磁共振线宽和介电常数）一般采用谐振腔法。当把铁氧体小样品放到谐振腔中时，会引起谐振腔的谐振频率和品质因数的变化。如果样品很小，可以看成一个微扰，则假设：
（1）放进样品后所引起的谐振频率的相对变化很小，令空谐振腔的谐振频率为f 0，放进样品后腔的谐振频率为f ，有()f f /f -00?1。
（2）放进样品后，除样品所在地方的电磁场发生变化外，腔内其他地方的电磁场保持不变（实际上变化很小，可忽略）；则可得到谐振腔的微扰公式
000000000000111
2()()()()s
**
r V **
L
V H H E E dV f f i f Q E E H H dV μμεεεμ???-?+-???-+?=-?+???????
式中()L I /Q ?为放进样品前后谐振腔的有载品质因数Q L 的倒数的变化，μ为铁氧体样品的磁导率张量，I 为单位张量，r ε为样品的介电常数，0E 和0H 为空腔中的电磁场，E 和H 为放进样品后腔中的电磁场，S V 为样品体积，0V 为谐振腔的体积。微扰公式只适用于小样品（S V V 0?），把样品放在谐振腔内适当位置上，可以使样品的磁效应和电效应分离。如果把小样品放在腔内微波磁场最大、微波电场为零的位置，则上式变成
???????+??-?-=?+-0
)()1()21(0*
000*000*000V V L
dV
H H E E HdV H Q i f f f s
μεμμ （8-1） 现在我们以TE 10p 型矩形谐振腔为例进行具体分析，当恒磁场bc H 加在y 方向时，令
000)1()1(H H e μμμμ?-=?- （8-2）
式中μ和0μ分别为样品内的内磁导率张量和外磁导率张量，H 和0H 分别为内场和外场，且0μ具有下列形式：
e e e e 00000ik ik μμμ-??
?
= ? ??? （8-3）
因谐振腔内电能和磁能互相转化，有
dV H H dV E E V V 0*000*000
?=???????με （8-4） 将（8-2）~（8-4）代入（8-1）式得
)1(0
-'-=-μA f f f ， μ''=???
? ???A Q L 21 （8-5） 式中μ'和μ''分别为外磁导率张量对元角e μ的实部和虚部（为了简便，略去角标“e ”），A 为与谐振腔的震荡模式、体积有关的常数，
0212
V V ap l A S ?
???
????????? ??+= （8-6） 2. 用传输谐振腔测量铁磁共振线宽（调谐情况）对于含有铁氧体样品的传输式谐振腔（参看图8-3），在谐振腔始终调谐时，有
2
12
0004)()()(e e L
Q Q Q f P f P f T =
=入出 所以
2
2
100)(4)(L
e e Q Q Q
f P f P 入出= （8-7） 在保证谐振腔输人功率P 入不变和微扰条件下，2
L P Q ∝出。
要测量铁磁共振线宽ΔH ，就要测量μ''，即测腔的Q L 值的变化，而Q L 的变化可以通过腔的输出功率P 出的变化来测量，这就是用传输式腔测ΔH 的基本思想。
现在我们介绍一种用传输式谐振腔测量共振线宽ΔH 的方法。参看图8-3，微波铁氧体小球样品放在谐振腔内，在下列实验条件下：
（l ）小球很小，可看成一个微扰，放在腔内微波磁场最大、微波电场为零处（为什么？）；
（2）谐振腔始终保持在谐振状态； （3）微波输人功率保持恒定不变。
测量谐振的输出功率P 与磁场H 的关系曲线（图8-4）再按一定公式给出ΔH 。图8-4中，P 为远离铁磁共振区域时谐振腔的输出功率，P r 为共振时的输出功率，P 1／2为半共振点（相当于2/μ''处的输出功率）。在铁磁共振区域，由于样品的铁磁共振损耗，使输出功率降低（与远离铁磁共振区域比较）。P 1／2由P 。和P r 决定，现在推导P 1／2的表达式。由式（8-7）可得（令P 出=P ）
P P Q Q Q e e L
入2
121
=
图8-3 传输式腔测ΔH 图8-4 输出功率P 与磁场H 的曲线
在远离铁磁共振区域，上式变成（注意：P 入，Q e1，Q e2保持不变）
2
10
,21
P P Q Q Q e e L 入=
式中Q L,0表示远离铁磁共振时样品腔的有载品质因数（相当于空腔的有载品质因数）。将以上两式代入式（8-5）的第2式，稍加变化可得
???
? ??-=''12100,P
P AQ L μ （8-8）
注意到r μμ''''=时，r P P =；2r /μμ''''=时，12/P P =。由上式得
2
00
2/1)1/(4+=
r P P P P （8-9）
算出P 1/2的值，就可以从P~H 曲线定出ΔH 。
应该指出的是：在进行铁磁共振线宽测量时，必须注意到样品的μ'会使谐振腔的谐振频率发生偏移（频散效应）。要得到准确的共振曲线形状和线宽，必须在测量时消除频散，使装有样品的谐振腔的谐振频率始终与输入谐振腔的微波频率相同（调谐）。因此在逐点测绘铁磁共振曲线时，相应于每一个外加的恒磁场，都需要稍为改变谐振腔的谐振频率（例如通过微调插入谐振腔的小螺钉）使它与微波频率调谐。这样用式（8-9）定出来的ΔH 才是正确的。
3．用传输式谐振腔测量铁磁共振线宽（不逐点调谐情况）如果在测量时谐振腔不逐点调谐，而样品的频散效应又不能忽略（特别是在狭ΔH 的情况），在正确地考虑了频散的影响后，也可以用修正公式从测量的P~H 曲线上定出ΔH 。
在一般的铁磁共振曲线中，有下列近似关系：
远离共振点 10μ'-=
0μ''= r μμ''''= （8-10）
共振点 10μ'-= 半共振点 112r μμ'''-= 1
2
r μμ''''=
现在我们根据（8-5）和（8-10）来考虑散频修正。
因为在样品磁化时，谐振腔不是始终保持谐振状态，腔的传输系数()f T 为
2
20)
(41)()(f f Q f T f T L ?+=
其中 2
1204)(e e L
Q Q Q f T =
令 000f f f f f
-=
?=δ
则有
)41(412221δ+=L
e e Q Q Q T （8-11） 若用脚标“0”、“r ”和“1/2”分别表示远离共振点、共振点、半共振点，则由式（8-10）、（8-11）得
20,2101
41L e e Q Q Q T ?= （8-12） 2,211
41r
L e e r Q Q Q T ?= （8-13） )41
(4122/122
/1,212
/1δ+=
L e e Q Q Q T （8-14）
由式（8-5）、（8-10）有
r
A μ
δ''=21
2/1 r
L r L A Q Q μ''=-21
10
,, （8-15）
r
L L A Q Q μ''=-
,2
/1,1
1
根据式（8-14）、（8-15）可推得
)1
1(421120,2,212/1L r L e e Q Q Q Q T +=
（8-16）
比较式（8-16）和（8-12）、（8-13）可以看出
)11(2110
2
/1T T T r +=
因为入P P T /=, 入P =常数，上式变成
r r
p p P P P +=
002/12 (8-17)
这就是考虑频散修正后得到的定出ΔH 的公式。
在实验中，我们采用的方法是：在远离铁磁共振区域保证微波频率与谐振腔谐振，测量P~H 曲线时不逐点调谐，而利用式（8-17）计算出P 1/2，再从P~H 曲线上定出ΔH 。
如果已知A 和Q L ,0，利用式（8-8）可以把P~H 曲线转化成μ''~H -曲线。不过这个μ''~H -曲线是在未考虑频散修正情况下得到的，要把式（8-17）算出的P 1/2代入式（8-8）求出真正的12/μ''才能定出ΔH 。
【实验装置】
图8-5 观测铁磁共振的实验电路
用传输式谐振腔观测铁磁共振的实验线路如图8-5所示。本实验系统在3cm 波段上进行观测的实验装置上采用扫场法进行微波铁磁材料的共振实验。即保持微波频率不变，连续改变外磁场，当外磁场与微波频率之间符合一定关系时，可发生射频磁场的能量被吸收的铁磁共振现象。可以做观测传输式腔的工作特性和铁磁共振两方面的实验。
信号源可选用可工作于8.6GHz ～9.6 GHz 的微波信号源（三厘米固态信号源），也可以选用可工作于8.6GHz ～9.6 GHz 的速调管信号源。为了微波线路更简单一些，可将定向耦合片1取消，而将波长表直接连接在定向耦合片1的位置上进行实验。
晶体检波器最好是满足平方律检波的，这时检波电流表示相对功率（i P ∝）。检波指示器1用来监测速调管的输出功率。检波指示器2用来测基传输式谐振腔的输出功率，
电磁铁提供0~5×105A ／m 的磁场，极头直径一般不小于3cm 即可。 传输式谐振腔采用TE 10P 型矩形谐振腔（一般取P = 隅数，例如P = 8），空腔的有载品质因数近似为2000~3000。样品是多晶铁氧体小球或单晶YIG 小球，直径约lmm 。当被测样品放入谐振腔内改变外磁场进入铁磁共振区域时，由于样品的铁磁共振损耗，使输出功率降低，从而可测出谐振腔输出功率P 与外加恒磁场H 的关系曲线如图8-6所示。
图中0P 为远离铁磁共振区时谐振腔的输出功率、r P 为出现铁磁共振时谐振腔的输出功率，此时对应的外磁场为r H 称为共振磁场。而对应的张量导磁率μ
对角元虚部μ''达最大值为r μ''，根据铁氧体理论，半共振点是张量导磁率对元虚部
的r μμ''=''2/1，其此处的谐振腔输出功率
2/1P 与0P ，r P 有如下关系： 图8-6谐振腔输出功率P 与外加恒磁场H 的关系曲线
2
00
2/114???
?
????+=r P P P P 与2/1P 对应的外加磁场之差()12H H -即为铁磁共振线宽H ?。因此可以根据实验作出的图8-6
曲线和上述2/1P 的公式求出共振线宽H ?。
另外，有铁磁共振条件r r H γω=和mc ge 2/=γ，根据外加磁场r H 和微波频率，可求得g 因子。 应该注意的是，在进行铁磁共振线宽测量时，必须注意样品的曲线和线宽，必须在测量时消除频散，使装有样品的谐振腔频率始终与输出谐振腔的微波频率相同（调谐）。因此在逐点测绘铁磁共振曲线，相当于每一个外加恒磁场都要有稍微改变谐振腔的谐振频率，使它与微波频率调谐。
如果在测量时不逐点调谐，样品的频率散射效应又不能忽略（特别是在窄H ?的情况下），在正确地考虑了频散的影响后，也可以用修正公式从测量的H P -曲线定出H ?。
【实验内容】
1．观测速调管的振荡模和传输式腔的谐振曲线
（1）观察速调管的振荡模，测量一个振荡模的中心频率和电子调谐范围。 （2）观察传输时谐振曲线，测量腔的有载品质因数。 2．观测铁磁共振 （1）用简便方法测量共振磁场r H 和共振线宽ΔH （令P 0 =100.0格，测量r H 和r P ,利用式（8-17）算出P 1/2，从而定出ΔH ）。测量三次平均值。
（2）逐点测绘P~H 曲线。
【实验步骤】
1．按照图8-6所示连接线路；
2．打开磁共振实验仪的电源，预热15~20分钟； 3．固态信号源的开机：
（1）先不要将固态信号源振荡器连线插入主机的“输出”插座。接通“电源”按键，此时数字表应发亮，“工作状态”按键在“等幅”状态时，在“电压指示”状态下，电表应指示12V 左右，
再按下“电流指示”时，电表应接近零，此时证明电源是正常的；
（2）关闭电源，将固态信号源振荡器连线插入主机的“输出”插座； （3）接通电源，“工作状态”按键在“等幅”状态，使固态信号源开始震荡，微波能量从波导口输出。
4．将可变衰减器的衰减量置到“0”附近、磁共振实验仪置于“检波”状态、“磁场”调节到最小；
5．调节微波信号源的信号振荡频率，使微安表头有示数；
6．测定微波信号的频率：使用波长表寻找电流跌落点，具体办法： （1）旋转波长表的测微头（在跌落点附近左右调节寻找），找到电表示值的跌落点，读出测微头示数；
（2）查“3CM 空腔波长表频率刻度对照表”，找到对应的振荡频率示值（频率范围8.60~9.60GHz ）；
7．根据查到的频率值利用“频率~测微器刻度对照表”查出频率测微器的示数，并将频率测微器示数调至该值（使微波信号源的信号振荡频率与样品腔的谐振频率相同），使调谐电表指示最大；
8．利用示波器观察铁磁共振信号：
（1）将磁共振实验系统置于“扫场”状态、“扫场”旋钮顺时针调到最大； （2）将波长表刻度旋开谐振点，避免波长表的吸收对实验造成干扰； （3）示波器置于Y ~X 工作方式；
（4）逐渐增加磁场电流，直至出现共振图像（一般磁场电流在1.7A ~1.9A 之间）；
（5）若共振图像不理想，可以适当调节调相旋钮、扫场旋钮、频率测微器或样品腔在磁场中的位置，直至得到满意的图像。
9．铁磁共振曲线的制作：
（1）去掉扫场接线，将磁共振实验系统置于“检波”状态；
（2）缓缓顺时针转动磁共振实验仪的磁场调节钮，加大磁场电流，当电表指示最小时，即铁磁共振吸收；
（3）用晶体检波器的检波指示作为传输式谐振腔的输出功率（即铁磁共振曲线的纵坐标P ），用磁共振实验仪的磁场调节钮调节磁场线圈中的电流（即铁磁共振曲线的横坐标H ）；
（4）从1.2A 起，逐点记录磁共振仪的磁场电流表读数与检波指示的对应关系，在坐标纸上描绘出连续的曲线；
【实验数据处理】
1. 求出传输式腔的谐振频率和有载品质因数；
2. 用简便方法测得共振磁场r H 和共振线宽ΔH ；
3. 在坐标纸上画出P ~H 曲线，并在图上标出r H 和ΔH ；
4. 计算回磁比r 、g 因子和弛像时间τ；
5.
选做：画出曲线μ''~H -，并标明r H 和ΔH 。
【思考题】
1. 计算你测量ΔH 用的矩形谐振腔的腔长L （已知：腔的尺寸2286mm a .=，1016mm b .=，振荡模式TE 10p ，谐振频率o f ）。讨论样品可放在腔内哪些位置。
2．为了消除晶体检波律对测量H ?的影响，可以把相对功率的测量转换成衰减量的测量。令r A A 0和2/1A 分别表示可变衰减器在远离共振点、共振点和半共振点时的衰减量，则在谐振腔不逐点调谐情况下有
12010110101101210/r A A A A log log (
)-?-?
??-=+????????
一、实验背景 早在1935年，著名苏联物理学家兰道（Lev Davydovich Landau 1908—1968）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性．经过十几年，在超高频技术发展起来后，才观察到铁磁共振吸收现象，后来波耳得（Polder ）和侯根（Hogan ）在深入研究铁磁体的共振吸收和旋磁性的基础上，发明了铁氧体的微波线性器件，使得铁磁共振技术进入了一个新的阶段．自20世纪40年代发展起来后，铁磁共振和核磁共振、电子自旋共振等一样，成为研究物质宏观性能和用以分析其微观结构的有效手段． 微波铁磁共振现象是指铁磁介质处在频率为?0的微波电磁场中，当改变外加恒定磁场H 的大小时，发生的共振吸收现象．通过铁磁共振实验，我们可以测量微波铁氧体的共振线宽、张量磁化率、饱和磁化强度、居里点等重要参数．该项技术在微波铁氧体器件的制造、设计等方面有着重要的应用价值． 二、实验目的 1．了解微波谐振腔的工作原理，学习微波装置调整技术． 2．掌握铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象． 3．测量微波铁氧体的共振磁场B ，计算g 因子． 三、实验原理 1.磁共振 自旋不为零的粒子,如电子和质子,具有自旋磁矩．如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为: 02B h E πγ=? （1） （其中，γ为旋磁比，h 为普朗克常数，0B 为稳恒外磁场）． 又有e m e g 2=γ，故0022B g B h m e g E B e μπ =?=?．（其中，g 即为要求的朗德g 因子，其值约为2．πμe B m eh 4=为玻尔磁子， 其值为1241074.29--??T J ） 若此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为
核磁共振实验报告 一、实验目的： 1．掌握核磁共振的原理与基本结构； 2．学会核磁共振仪器的操作方法与谱图分析； 3．了解核磁共振在实验中的具体应用； 二、实验原理 核磁共振的研究对象为具有磁矩的原子核。原子核是带正电荷的粒子，其自旋运动将产生磁矩，但并非所有同位素的原子核都有自旋运动，只有存在自选运动的原子核才具有磁矩。原子核的自选运动与自旋量子数I有关。I=0的原子核没有自旋运动。I≠0的原子核有自旋运动。 原子核可按I的数值分为以下三类： 1)中子数、质子数均为偶数，则I=0，如12C、16O、32S等。 2)中子数、质子数其一为偶数，另一为基数，则I为半整数，如： I=1/2；1H、13C、15N、19F、31P等； I=3/2；7Li、9Be、23Na、33S等； I=5/2；17O、25Mg、27Al等； I=7/2，9/2等。 3)中子数、质子数均为奇数，则I为整数，如2H、6Li、14N等。 以自旋量子数I=1/2的原子核（氢核）为例，原子核可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种取向： 氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）： a.与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2; b.与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2;
正向排列的核能量较低，逆向排列的核能量较高。两种进动取向不同的氢核之间的能级差：△E= μH0（μ磁矩，H0外磁场强度）。一个核要从低能态跃迁到高能态，必须吸收△E的能量。让处于外磁场中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振，简称NMR。三、实验仪器 400MHz超导傅里叶变换核磁共振波谱仪 （仪器型号：AVANCE III 400） 四、仪器构造、组成 1)操作控制台：计算机主机、显示器、键盘和BSMS键盘。 计算机主机运行Topspin程序，负责所有的数据分析和存储。BSMS键盘可以让用户控制锁场和匀场系统及一些基本操作。 2)机柜：AQS（采样控制系统）、BSMS（灵巧磁体系统），VTU（控温单元）、 各种功放。 AQS各个单元分别负责发射激发样品的射频脉冲，并接收，放大，数字化样品放射出的NMR信号。AQS完全控制谱仪的操作，这样可以保证操作不间断从而保证采样的真实完整。BSMS：这个系统可以通过BSMS键盘或者软件进行控制，负责操作锁场和匀场系统以及样品的升降、旋转。3)磁体系统：自动进样器、匀场系统、前置放大器(HPPR)、探头。 本仪器所配置的自动进样器可放置60个样品。磁体产生NMR跃迁所需的
用传输式谐振腔观测铁磁共振 铁磁共振在磁学和固体物理学中都占有重要地位。它是微波铁氧体物理学的基础，而微波铁氧体在现代雷达和微波通信方面都有重要应用。 铁磁共振和核磁共振、电子自旋共振一样，成为研究物质宏观性能和微观结构的有效手段。早在1935年，著名苏联物理学家兰道（Lev Davydovich Landau 1908—1968）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。经过若干年在超高频技术发展起来后，才观察到铁磁共振现象。多晶铁氧体最早的铁磁共振实验发表于1948年。以后的工作则多采用单晶样品。 实验目的 1．了解微波谐振腔的工作原理，学习微波装置调整技术。 2．通过观测铁磁共振，进一步认识磁共振的一般特性和实验方法。 实验原理 1．微波谐振腔 在微波技术中谐振腔是一个非常重要的部分。所谓微波谐振腔就是一个封闭的金属导体空腔，一般为矩形或圆柱形。腔壁反射电磁波辐射，使电磁波局限在空腔内部。谐振腔的入射端开一小孔，使电磁波进入谐振腔。电磁波在腔内连续反射。若波形和频率与谐振腔匹配，可形成驻波，也即发生谐振现象。如谐振腔无损耗，则腔内振荡便可持续下去。（1）矩形波导管 矩形截面的空心导体管构成矩形波导，它是传播微波最常用的传输线。矩形谐振腔实际上是一段封闭的矩形波导，即在波导入射端和出射端加装了反射电磁波的金属片。理论分析表明：在波导管中不存在电场纵向分量和磁场纵向分量同时为零的电磁波。在波导管中传播的电磁波可以分为两大类：（1）横电波又称为磁波。简写为TE波或H波；磁场可以有纵向和横向分量，但电场只有横向分量。矩形波导管传播的基本波形是TE10波。（2）横磁波又称为电波，简写为TM波或E波；电场可以有纵向和横向分量，但磁场只有横向分量。至于电场和磁场的纵向分量都不为零的电磁波，则可以看成横电波和横磁波迭加而成。 在实际应用中，总是把波导管设计成只能传播单一波形。我们使用的矩形波导管只能传播TE10波。
近代物理实验报告 顺磁共振实验 学院 班级 姓名 学号 时间 2014年5月10日
顺磁共振实验 实验报告 【摘要】 电子顺磁共振又称电子自旋共振。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自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR ”或“ESR ”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。 【关键词】 顺磁共振，自旋g 因子，检波 【引言】 顺磁共振（EPR ）又称为电子自旋共振（ESR ），这是因为物质的顺磁性主要来自电子的自旋。电子自旋共振即为处于恒定磁场中的电子自旋在射频场或微波场作用下的磁能级间的共振跃迁现象。顺磁共振技术得到迅速发展后广泛的应用于物理、化学、生物及医学等领域。电子自旋共振方法具有在高频率的波段上能获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行超低含量分析，但并不破坏样品的结构，对化学反应无干扰等优点，对研究材料的各种反应过程中的结构和演变，以及材料的性能具有重要的意义。研究了解电子自旋共振现象，测量有机自由基DPPH 的g 因子值，了解和掌握微波器件在电子自由共振中的应用，从矩形谐振长度的变化，进一步理解谐振腔的驻波。 【正文】 一、实验原理 （1）电子的自旋轨道磁矩与自旋磁矩 原子中的电子由于轨道运动，具有轨道磁矩，其数值为： 2l l e e P m μ=- ，负号表示方向同l P 相反。在量子力学中(1)l P l l =+，因而 (1)(1)2l B e e l l l l m μμ=+=+，其中2B e e m μ=称为玻尔磁子。电子除了轨道运动外
教学目标：了解核磁共振的原理，在有机化合物结构表征中的应用。 教学重点：能解析简单的H-NMR谱图 教学安排: A >D4—>D5；100min 2— 具有奇数原子序数或原子质量的元素，如1H、13C、15N、17O、27A1、31P等原子在磁场中、适宜频率的无线电波幅射下会发生共振现象，称为核磁共振。（又写作NMR,nuclear maganetic resonanal）。如果是氢原子共振称为氢核磁共振（1H-NMR），如果是13C共振称为13C一核磁共振（13C-NMR）。所得的谱图常称为氢谱和碳谱。1H-NMR能给出分子中H和C的数目以及H的化学环境，故是表征有机化合物的重要工具，普遍被应用。这里主要介绍1H-NMR。 一、基本原理 1．原子核的自旋 质子与电子一样，是自旋的。有自旋量子数+1/2和-1/2 两个自旋态，其能量相等，处于 两个自旋态的几率相等。自旋时产生的自旋磁场的方向与自旋轴重合。在外磁场H 0作用下，两个自旋态能量是不再相等。能量低的是自旋磁场与外磁场同向平行，能量高的是自旋磁场与外磁场逆相平行。两种自旋态的能量差△E随着外磁场强度增加而变大。 2．核磁共振的条件 在外磁场中，质子受到电磁波（无线电波）幅射，只要电磁波的频率能满足两个相邻自旋态能级间的能量差△E，质子就由低自旋态迁跃到高自旋态，发生核磁共振。质子共振需要的电磁波的频率与外磁场强度成正比。
实现共振有两种方法： ν，为扫频。 ①固定外磁场强度H 0不变，改变电磁波频率 ②固定电磁波频率ν不变，改变磁场强度H 0，称为扫场。 两种方式的共振仪得到的谱图相同，实验室多数采用后一种，如60MHz，100MHz，400MHz 就是指电磁波频率。 3．核磁共振仪的构造及操作 核磁共振仪由可变磁场，电磁波发生器，电磁波接收器，样品管等部分组成，如下面图: 样品放在两块大电磁铁中间，用固定的无线电波照射，在扫描线圈中通直流电，产生微小的磁场，使总的外磁场逐渐增加。当磁场达到H 1时，试样的一种质子发生共振。信号经放 大记录，并绘制出核磁共振谱图,如上右图。 二、1H-NMR的化学位移 分子中的H与质子不同，由于化学环境（周围电子）不同，引起核磁共振信号位置的变化称为化学位移，用σ 表示，也曾用τ表示。 1．屏蔽效应
1、前言和实验目的 核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中磁能级之间发生共振跃迁的现象。本实验的样品在外磁场中，外磁场使样品核能级因核自旋不同的取向而分裂，在数千高斯外磁场下核能级的裂距一般在射频波段，样品在射频电磁波作用下，粒子吸收电磁波的能量，从而产生核能级的跃迁。1932年发现中子后，才认识到核自旋是质子自旋和中子自旋之和，质子和中子都是自旋角动量为2 的费米子，只有质子数和中子数两者或其一为奇数时，核才有非零的核磁矩，正是这种磁性核才能产生核磁共振。 核磁共振信号可提供物质结构的丰富信息，如谱线的宽度、形状、面积、谱线在频率或磁场刻度上的准确位置、谱线的精细结构、超精细结构、弛豫时间等，加之是对样品的无损测量，广泛的应用于分子结构的确定、液相和固相的动力学研究、医用诊断、固体物理学、分析化学、分子生物学等领域，是确定物质结构、组成和性质的重要实验方法。核磁共振还是磁场测量和校准磁强计的标准方法之一，其不确定度可达001.0±%。 实验目的： （1）掌握核磁共振的实验原理和方法 （2）用核磁共振方法校准外磁场B ，测量氟核的F g 因子以及横向驰豫时间2T 2、实验原理 如原子处在磁场中会发生能级分裂一样，许多原子核处在磁场中也会发生能级的分裂，因为 原子核也存在自旋现象。质子和中子都是自旋角动量等于2 的费米子，当质子数和中子数都为偶数时原子核的磁矩为0，当其一为奇数时原子核磁矩为半整数，当两个都为奇数时核磁矩为整数。只有具有核磁矩的原子核才有核磁共振现象。 我们知道在微观世界里物理量都只能取分立的值，即都是量子化的。原子核的角动量也只能取分立的值 )1(+= I I p ,I 为自旋量子数，取分立的值。对于本实验用到的H 1和F 19，自旋量 子数I 都为1/2。沿z 方向的角动量为 m p z =，在这里m 只能取1/2或-1/2。而自旋角动量不为0的核具有核磁矩p m e g p 2F =，考虑沿z 轴方向则有N z p Z mgF p m e G F ==2，其中以 γ== p z m e F 2为原子核磁矩的基本单位，p m e 2=γ。 在没有磁场作用时，原子核的能量时一样的，但处于磁场中则会发生能级分裂， B m γ-B -F B F E Z =?=?-=，本实验中1=?m ，故有B E γ=?。外加一射频场，当满足一定 的条件时就会发生共振吸收，条件为πγγυ2hB B E h = =?= ，从而有共振频率B π γ υ2= 。通过
第八章核磁共振谱光谱 学习要求： 1、学会如何借助光学技术来分析化合物的结构。 2、掌握谱图分析，了解各种质子化学位移的位置。 3、知道影响化学位移的因素。 由上面的讨论可知，对于一个未知物，红外光谱可以迅速地鉴定出未知物分子中具有的哪些官能团，能指出是什么类型的化合物，但它难以确定未知物的精细结构。自20世纪50年代中期，核磁共振技术开始应用于有机化学，对有机化学产生了巨大的影响，已发展成为研究有机化学最重要的工具之一，成为有机化合物结构测定不可缺少的手段。 8.1基本原理 （1）核磁共振现象 核磁共振是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数I来表示。核的自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在着一定的关系：当原子的质量数和原子序数两者之间是奇数或两者均为奇数时，I≠0，该原子核就有自旋现象，产生自旋磁矩。如等。当原子的质量数和原子序数均为偶数时，I=0，原子核不能产生自旋运动，也没有磁矩，如等。 当I≠0的原子核置于一均匀的外磁场（H O）中时，核的自旋具有（2I+1）个不同的取向。对于氢原子核（I=1/2），其自旋产生的磁矩在外磁场中可有两种取向：一种是与外磁场方向相同，称为顺磁取向。该取向的磁量子数m=+1/2,或用α表示。另一种是与外磁场方向相反，称为反磁取向。该取向的磁量子数m=-1/2，或用β表示。 反磁取向的能量较顺磁取向的能量高，这两种取向的能量差⊿E与外加磁场的强度成正比。 ⊿E= 式中h为普朗克常量，γ为核常数，称为核磁比。对于氢原子，γ=26750。以上关系如图9-28所示。不过即使在很强的外加磁场中，⊿E数值也很小。对于氢原子核，当 H0=14092G（高斯，1G=10-4T）时，⊿E仅为2.5×10-5kJ/mol,当H0=23468G时，⊿E约为4×10-5kJ/mol,相当于电磁波谱中射频区的能量。 若外界提供电磁波，其频率适当，能量恰好等于核的两个自旋能级之差，hγ=⊿E则此原子核就可以从低能级跃迁到高能级，发生核磁共振吸收。核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance）谱就是描述在不同电磁频率下的核磁共振吸收情况。 由上面的公式可得：bfsdjbchvbhsd 从上式可看出，一个特定的核（γ=常数），只有一种共振频率能使核从低能级跃迁至高能级，发生核磁共振。上式又叫共振条件。例如1H，当H0=1.0×104G时，γ=100MHz。而当H0=14092G时，13C和19F产生核磁共振所需要的频率分别为24.29和15.08MHz。 有机化学中研究得最多，应用得最广泛的是氢原子核（即质子1H）的核磁共振谱，又叫质子磁共振谱(Proton Magnetic Resonance),简写为PMR或1HNMR。近年来13C的核磁共振谱（13CNMR）有较大的发展，限于篇幅，这里只介绍核磁共振氢谱（1HNMR）。 （2）核磁共振仪简介： 图9-29为核磁共振仪示意图。其核心部件是一个强度很大的磁铁，样品管放在磁铁两极之间，样品管周围为射频线圈。其轴垂直于磁场方向，输入线圈的轴垂直输出线圈的轴。因而三者相互垂直，互不干扰。实现核磁共振的方法有两种：一是固定磁场H0，改变频率γ，这种方法叫扫频；另一是固定频率γ改变磁场H0，这种方法叫扫场。一般的核磁共振仪中多用扫场的方法。当磁场Ho和频率满足共振条件时，样品中的质子便发生能级跃迁，接收器就会收到信号，有记录仪记录下来。实验室中常用的核磁共振仪有60MHz,90MHz,100MHz,220MHz,甚至可到400MHz。 （3）化学位移和屏蔽效应：
铁磁共振 摘 要 本实验观察了速调管的振荡模式，谐振腔的谐振曲线，单晶样品的共振曲线，用逐点法测量了多晶样品的共振曲线．实验测得谐振腔的有效品质因数为861.24，测得单晶样品共振线宽H D ＝224.5Ａ／ｍ，旋磁比g ＝11 2.1810′Ｈｚ·ｍ／Ａ，朗德因子ｇ＝2.4，弛豫时间t ＝7 2.1410 -′ｓ．测得多晶样品H D ＝31847.5Ａ／ｍ，g ＝11 2.3610′Ｈｚ· ｍ／Ａ，ｇ＝2.6，t ＝10 2.110 -′s ． 关键词 铁磁共振，共振曲线，谐振曲线，品质因数，微波 一、引言 共振是自然界中普遍存在的一种客观现象.共振技术被广泛应用于机械、化学、力学、电磁学、光学、原子与分子物理学、工程技术等几乎所有的科技领域.磁共振是发生在既有角动量又有磁矩的系统在磁场作用下形成的塞曼能级间的共振感应跃迁，它不但具有共振的共性，还有其自身的特点.在目前可得到的磁感应强度的条件下，磁共振所涉及的共振频率通常处于射频和微波频段. 铁磁共振是于20世纪40年代发展起来的一种研究物质宏观性能和微观结构的重要实验手段，是指铁磁体材料在受到相互垂直的稳恒磁场和交变磁场的共同作用时发生的共振现象．利用铁磁共振现象可以测量体磁体材料的g 因子、共振线宽、弛豫时间等性质．该项技术在微波铁氧体器件的制造、设计等方面有着重要的应用价值．通过本实验，熟悉微波传输中常用的元件及其作用，掌握传输式谐振腔的工作特性，了解谐振腔观察铁磁共振的基本原理和实验条件． 二、实验原理 1、铁磁共振 当铁磁体材料同时受到两个相互垂直的磁场，即恒定磁场0H 和微波交变磁场h ，在0H 的作用下，铁磁体的磁化强度将围绕0H 进动，进动频率为： 00H w g = （1）
一、实验目的与实验仪器 1.实验目的 （1）了解核磁共振的基本原理； （2）学习利用核磁共振校准磁场和测量因子g 的方法： （3）掌握利用扫场法创造核磁共振条件的方法，学会利用示波器观察共振吸收信号； （4）测量19F 的g N 因子。 2.实验仪器 NM-Ⅱ型核磁共振实验装置，水 样品和聚四氟乙烯样品。 探测装置的工作原理:图一中绕 在样品上的线圈是边限震荡器电路 的一部分，在非磁共振状态下它处在 边限震荡状态（即似振非振的状态）， 并把电磁能加在样品上,方向与外磁 场垂直。当磁共振发生时，样品中的 粒子吸收了震荡电路提供的能量使振荡电路的Q 值发生变化，振荡电路产生显著的振荡，在示波器上产生共振信号。 二、实验原理 （要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式） 原子核自旋角动量不能连续变化，只能取分立值即： P = 其中I 称为自旋量子数，I=0，1/2，1，3/2，2，5/2，…本实验涉及的质子和氟核 F 19 的自旋量子数I 都等于1/2。类似地原子核的自旋角动量在空间某一方向，例如z 方向的分量不能连续变化，只能取分立的数值 自旋角动量不为零的原子核具有与之相联系的核自旋磁矩， 其大小为： P 2M e g =μ 核磁共振 实验报告
其中e 为质子的电荷，M 为质子的质量，g 是一个由原子核结构决定的因子，对不同种类的原子核g 的数值不同，g 成为原子核的g 因子。由于核自旋角动量在任意给定的z 方向的投影只可能取（2I+1）个分立的数值，因此核磁矩在z 方向上的投影也只能取（2I+1）个分立的数值： 2M e g p 2M e g m z z ==μ 原子核的磁矩的单位为： 2M e N =μ 当不存在外磁场时，原子核的能量不会因处于不同的自旋状态而不同。通常把B 的方向规定为z 方向，由于外磁场B 与磁矩的相互作用能为： B B P B B E z z m γγμμ-=-=-=?-= 核磁矩在加入外场B 后，具有了一个正比于外场的频率。量子数m 取值不同，则核磁矩的能量也就不同。原来简并的同一能级分裂为(2I+1)个子能级。不同子能级的能量虽然不同，但相邻能级之间的能量间隔 却是一样的，即： B E γ=? 而且，对于质子而言，I=1/2，因此，m 只能取m=1／2和m= -1/2两个数值。简并能级在磁场中分开。其中的低能级状态,对应E 1=-mB ，与场方向一致的自旋，而高的状态对应于E 2=mB ，与场方向相反的自旋。当核自旋能级在外磁场B 作用下产生分裂以后，原子核在不同能级上的分布服从玻尔兹曼分布。 若在与B 垂直的方向上再施加一个高频电磁场（射频场），且射频场的频率满足一定条件时,会引起原子核在上下能级之间跃迁。这种现象称为共振跃迁（简称共振）。 发生共振时射频场需要满足的条件称为共振条件： B π γν2= 如果用圆频率ω=2πν 表示，共振条件可写成：B γω=
第三章核磁共振谱 一、选择题 1．下列哪一组原子核的核磁矩为零；不产生核磁共振信号的是（） A 2H、14N B 19F、12 C C 1H、13C D 16O、12C 2．在外磁场中，其核磁矩只有两个取向的核是( ) A 2H 19F 13C B 1H、2H、13 C C 13C、19F、31P D 19F 31P 12C 3．在外磁场中，质子发生核磁共振的条件为( ) A 照射频率等于核进动频率 B 照射电磁波的能量等于质子进动的能量 C 照射电磁波的能量等于质子进动的两个相邻能级差 D 照射电磁波的能量等于使核吸收饱和所需的能量 4. 不影响化学位移的因素是（） A 核磁共振仪的磁场强度 B 核外电子云密度 C 磁的各向异性效应Ｄ内标试剂 5．自旋量子数I=1/2的原子核在磁场中，相对于外磁场，有多少种不同的能量状态？（） A 1 B ２ C ４ D 0 6. 下列五个结构单元中的质子δ最大的是（） A Ar-H B Ar-CH3 C HC-C=O D RCOOCH３ 7．下面四个化合物中在核磁共振谱中出现单峰的是（） A CH3CH2Cl B CH3CH2OH C CH3CH3 D CH3CH(CH3)2 8．下面四个化合物质子的化学位移最小的者是（） A CH3F B CH4 C CH3Cl D CH3Br 9. 使用60MHz 核磁共振仪，化合物中某质子和四甲基硅烷之间的频率差为120Hz，其化学位移值δ为（） A 120 B 1.20 C 0.20 D 2.0 10. 某化合物中两种相互偶合质子，在100兆周的仪器上测出其化学位移δ差为 1.1，偶合常数(J)为5.2Hz，在200兆周仪器测出的结果为( )。 A δ差为2.2，J为10.4Hz B 共振频率差为220Hz，J为5.2Hz C δ差为 1.1，J为0.4Hz D 共振频率差为110Hz，J为5.2Hz 11. 常见的碳谱是一条条单峰；这是因为 ( ) A 个相邻的碳同为13C的几率很少，它们不会偶合，所以都是单峰 B 除A的原因外，碳氢之间会相互偶合，使图谱相当复杂，常见的碳谱是全去偶得到的谱图 C 除A的原因外，碳氢之间是不同类型的原子核不会偶合，所以都是单峰 D 除A原因外，碳氢之间偶合常数很小，无法观察，所以一般碳谱都为单峰
1 序言 1.1铁磁共振的发展概述 1.1.1 实验的背景介绍 铁磁共振是于20世纪40年代发展起来的，它和核磁共振、电子自旋共振一样，成为研究物质宏观性能和微观结构的有效手段。它利用磁性物质从微波磁场中强烈吸收能量的现象，与核磁共振、顺磁共振一样在磁学和固体物理学研究中占有重要地位。 早在1935年，著名联物理学家兰道（Lev Davydovich Landau 1908—1968）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。经过若干年在超高频技术发展起来后，才观察到铁磁共振现象。多晶铁氧体最早的铁磁共振实验发表于1948年。以后的工作则多采用单晶样品 1.1.2 磁共振的发展 磁共振是在固体微观量子理论和无线电微波电子学技术发展的基础上被发现的。 1945年首先在顺磁性Mn盐的水溶液中观测到顺磁共振。1946年，分别用吸收和感应的方法 发现了石蜡和水中质子的核磁共振；用波导谐振腔方法发现了Fe、Co和Ni薄片的铁磁共振。1950年在室温附近观测到固体Cr2O3的反铁磁共振。1953年在半导体硅和锗中观测到电子和空穴的 回旋共振。1953年和1955年先后从理论上预言和实验上观测到亚铁磁共振。1957年和1958年又发现了磁有序系统中高次模式的静磁型共振和自旋波共振。 1956年开始研究两种磁共振耦合的磁双共振现象。这些磁共振被发现后，便在物理、化学、生物等基础学科和微波技术、量子电子学等新技术中得到了广泛的应用。例如顺磁固体量子放大器，各种铁氧体微波器件，核磁共振谱分析技术和核磁共振成像技术及利用磁共振方法对顺磁晶体的晶场和能级结构、半导体的能带结构和生物分子结构等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩参数的测定也是以各种磁共振原理为基础发展起来的 1.2 本课题的研究容及意义 铁磁共振是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段，它在磁学和固体物理中都占有重要地位。许多高校在近代物理实验教学中都开设了铁磁共振的实验容12实验中比较重要的参数是共振频率、共振磁场和共振线宽，由共振频率和共振磁场可以计算出材料的磁旋比和g因数，给出材料微观结构的信息。共振线宽表示铁磁材料磁损耗的大小，是描述铁磁材料性能的一个重要指标。测量共振线宽对研究铁磁共振的机理和提高微波铁氧体器件的性能是十分重要。共振线宽是通过测量铁磁共振曲线计算出来的，而频散效应对铁磁共振曲线线形和线宽有很大的影响，如果在实验时不能消除频散效应的影响，测量的共振线宽会很不准确。在实验过程中，大部分学生因为缺少相关的理论知识对频散效应所引起的铁磁共
近代物理实验题目微波顺磁共振 学院数理与信息工程学院 班级物理071班 学号07180132 姓名骆宇哲 指导教师斯剑宵
浙 江 师 范 大 学 预 习 报 告 实验名称 铁磁共振 班 级 物理071 姓名 骆宇哲 学号 07180132 同 组 人 实验日期 10/04/29 室温 气温 铁磁共振 摘 要：通过本实验，使学生熟悉铁磁物质内部磁化强度的运动形态以及铁磁物质与电磁 波之间的相互作用，并对它在材料科学和微波设备的应用方面有一初步了解。 关键词：铁磁共振 共振线宽 g 因子 引 言： 铁磁共振和顺磁共振、核磁共振一样是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段本实验采用扫场法进行微波铁磁材料的共振实验。即保持微波频率不变，连续改变外磁场，当外磁场与微波频率之间符合一定的关系时，可发生射频磁场的能量被吸收的铁磁共振现象。微波铁磁共振在磁学和固体物理学中占有重要地位。它是微波铁氧体物理学的基础。微波铁氧体在雷达技术和微波通信方面有重要的应用。 实验方案： 1、实验原理 FMR 和NMR 、EPR 一样，也是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段，它在磁学乃至固体物理中都占有重要地位。其共振原理与NMR 、EPR 也很相似，若将YIG 小球（实验样品）置于稳恒磁场B 0中，YIG 系统的总磁矩M 就要绕着B 0作拉莫尔旋进，其旋进角频率为ω0＝γB 0。如果在垂直于B 0方向同时加一微波旋转磁场B 1，当B 1的旋转方向与M 的进动方向一致，且B 1的角频率ω又等于M 的旋进角频率ω0，即微波磁场的角频率与稳恒磁感应强度满足 000B B g B μωγ== 时，YIG 小球便会从微波磁场中强烈地吸收能量，这种现象便是FMR ，上式就是共振条件。 式中 B μ为玻尔磁子，γ和g 分别为旋磁比和朗德因子。 2、实验仪器 ①仪器：直流恒流源，电磁铁，标准电阻，数字电压表，三厘米微波源，通过式谐振腔，单向器，可变衰变器，晶体检波器，检流计，微波频率计，定向耦合器，YIG 样品。 ②装置： a.样品为铁氧体，提供实验用的铁原子。 b.电磁铁，提供外磁场，使铁原子能级分裂。 c.微波，提供能量，使低能级电子跃迁到高能级。 d.波导，单方向传导微波，使其通过样品。 e.波长表，测量微波的波长。 f.谐振腔，其谐振频率与微波的频率相等，进入的微波与其谐振，样品即放在波峰处，该处的微波磁场与外磁场垂直。 g.固体微波信号源，产生9GHZ 左右的微波信号。 h.隔离器，使微波只能单方向传播。 i.衰减器，控制微波能量的大小。
铁磁共振 【摘要】本实验利用调速管产生微波，观察了谐振腔的谐振曲线，测得谐振腔的有效品质因数为1507， 并进一步利用谐振腔研究了单晶和多晶样品的铁磁共振性质，得到了单晶样品和多晶样品的的共振线宽，旋磁比，朗德因子以及弛豫时间，并用逐点法测量了多晶样品的共振曲线。 【关键词】微波、铁磁共振、品质因数 一、引言 早在1935年，著名苏联物理学家朗道就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。经过十几年，在超高频技术发展起来后，才观察到铁磁共振吸收现象，后来波耳得（Polder ）和侯根（Hogan ）在深入研究铁磁体的共振吸收和旋磁性的基础上，发明了铁氧体的微波线性器件，使得铁磁共振技术进入了一个新的阶段。自20世纪40年代发展起来后，铁磁共振和核磁共振、电子自旋共振等一样，成为研究物质宏观性能和用以分析其微观结构的有效手段。 铁磁共振是指铁磁体材料在受到相互垂直的稳恒磁场和交变磁场的共同作用时发生的共振现象。它可以用于测量体磁体材料的g 因子、共振线宽、弛豫时间等性质。通过本实验熟悉微波传输中常用的元件及其作用，掌握传输式谐振腔的工作特性，了解谐振腔观察铁磁共振的基本原理和实验条件。 二、实验原理 1、铁磁共振原理 当铁磁体材料同时受到两个相互垂直的磁场，即恒定磁场0H 和微波交变磁场h ，在0H 的作用下，铁磁体的磁化强度将围绕0H 进动，进动频率为： 00H γω=（1） 其中γ为铁磁体材料的旋磁比，即： m e g 20μγ= （2） 其中g 为朗德因子，0μ为真空磁导率，e 、m 分别电子电量和电子质量。 由于阻尼作用，磁化强度将趋向于0H ，但是如果当微波频率0w w =时，进动的磁矩从微波场中吸收的能量刚好抵消阻尼所损耗的能量，则进动会稳定地进行，发生共振吸收现象，即铁磁共振现象。此时，铁磁体的磁导张量可表示为
近代物理实验报告
2019/8/9 18:29:00近代物理实验报告2 实验名称：铁磁共振 指导教师：鲍德松 专业：物理 班级：求是物理班1401 姓名：朱劲翔 学号：3140105747 实验日期：2016.10.19
实验目的： 1. 初步掌握用微波谐振腔方法观察铁磁共振现象。 2．掌握铁磁共振的基本原理和实验方法。 3．测量铁氧体材料的共振磁场r B ,共振线宽B ?，旋磁比γ以及g 因子和弛豫时间 τ。 实验原理： 根据磁学理论可知，物质的铁磁性主要来源于原子或离子的未满壳层中存在的非成对电子自旋磁矩。一块宏观的铁磁体包含有许多磁畴区域，在每一个区域中，自旋磁矩在交换作用的耦合下彼此平行排列，产生自发磁化，但各个磁畴之间的取向并不完全一致，只有在外磁场的作用下，铁磁体内部的所有自旋磁矩才保持同一方向，并围绕 着外磁场方向作进动。当铁磁物质同时受到两个相互垂直的磁场即恒磁场0B ρ 和微波磁 场1B ρ的作用后，磁矩的进动情况将发生重要的变化。一方面，恒磁场0B ρ 使铁磁场物质 被磁化到饱和状态，当磁矩M ρ 原来平衡方向与0B ρ有夹角θ时，0B ρ使磁矩绕它的方向作进动，频率为h B g B H μν=；另一方面，微波磁场1B ρ强迫进动的磁矩M ρ随着1B ρ的作用
而改变进动状态，M ρ 的进动频率再不是H ν了，而是以某一频率绕着恒磁场0B ρ作进动，同时由于进动过程中，磁矩受到阻尼作用，进动振幅逐渐衰减，如图（8—1）所示，微波磁场对进动的磁矩起到不断的补充能量的作用。当维持微波磁场作用时，且微波 频率ν=H ν时，耦合到M ρ的能量刚好与M ρ 进动时受到阻尼消耗的能量平衡时，磁矩就维持稳定的进动，如图（8—2）所示。铁磁共振的原理图如图（8—3）所示。 在恒磁场0B ρ（即0H ρ ）和微波磁场1B ρ（即h ρ）的作用下，其进动方程可写为： dt M d ρ = -γ（M ρ×H ρ）+ T ρ (8-1) 上式中e m e g 2=γ为旋磁比，g 为朗德因子，B ρ（即H ρ）为恒磁场0B ρ（即0H ρ）和微波 磁场1B ρ（即h ρ）合成的总磁场，T ρ 为阻尼力矩，此系统从微波磁场1B ρ中所吸收的全部 能量，恰好补充铁磁样品通过某机制所损耗的能量。阻尼的大小还意味着进动角度θ减少的快慢，θ减少得快，趋于平衡态的时间就短，反之亦然。因此这种阻尼可用弛豫时间τ来表示，τ的定义是进动振幅减小到原来最大振幅的e 1所需要的时间。 图（8—1）进动振幅逐渐衰减 图（8—2）微波磁场作用抵消阻尼，趋于平衡
微波铁磁共振 实验仪器：（注明规格和型号） 微波铁磁共振实验系统；三厘米固态信号源；示波器；微安表；特斯拉计 实验目的： 1. 熟悉、掌握微波实验系统的调试和测试方法 2. 了解用谐振腔法观测铁磁共振的基本原理和实验方法 3. 通过观察铁磁共振现象和测定有关的物理量，认识铁磁共振的一般特性 实验原理简述： 铁磁共振（FMR ）观察的对象是铁磁介质的未偶电子，因此可以说是铁磁介质中的电子自旋共振。 铁磁介质的磁导率主要由电子自旋所决定的，按经典力学原理电子自旋角动量m J 与自旋磁矩m P 有如下关系： m m J P γ= 其中， /B g μγ= 称为磁旋比。在外磁场B 中自旋电子将受到一个力矩T 的作用 B P T m ?= 因而角动量m J 将发生变化，其运动方程为 T dt dJ m = 计算得： )(B P dt dP m m ?=γ 若在铁氧体中单位体积内有N 个自旋电子，则磁化强度M 为 m NP M = 因此有 )(B M dt dM ?=γ 若磁矩M 按t i y x e m M 0,ω=规律进动，而稳恒磁场z i B B 0=，代入解此方程，得00B γω= 这就是通常称为拉莫尔进动的运动方式，从量子力学的观点来看，共振吸收现象发生在电磁场的量子ω 恰好等于系统M 的两相邻塞曼能级间的能量差，即 m B g E B ?=?=0μω 吸收过程中产生1±=?m 的能级跃迁，因此这一条件等同于 00ωγω==B ，与经典力学的结论一致。 在外加恒定磁场B 0的作用下，磁矩M 将围绕着磁场B 0进动。实际上这种进动是不会延续很久的，因为磁介质内部有损耗存在。如图4-3-2所示。 这个过程就是磁化过程，磁性介质所以能被磁化就说明其内部存在有阻尼损耗。图中T D 表示阻尼力，其方向指向B 0。磁矩M 受阻尼力的作用很快转向B 0方向，其周期为，如果要维持其进动，必须另外提供能量。这个能量通常由微波磁场提供。系统从微波磁场中吸收的能量恰好补充铁磁样
磁共振的原理 固体在恒定磁场和高频交变电磁场的共同作用下，在某一频率附近产生对高频电磁场的共振吸收现象。在恒定外磁场作用下固体发生磁化，固体中的元磁矩均要绕外磁场进动。由于存在阻尼，这种进动很快衰减掉。但若在垂直于外磁场的方向上加一高频电磁场，当其频率与进动频率一致时，就会从交变电磁场中吸收能量以维持其进动，固体对入射的高频电磁场能量在上述频率处产生一个共振吸收峰。若产生磁共振的磁矩是顺磁体中的原子（或离子）磁矩，则称为顺磁共振；若磁矩是原子核的自旋磁矩，则称为核磁共振。若磁矩为铁磁体中的电子自旋磁矩，则称为铁磁共振。核磁矩比电子磁矩约小3个数量级，故核磁共振的频率和灵敏度比顺磁共振低得多；同理，弱磁物质的磁共振灵敏度又比强磁物质低。从量子力学观点看，在外磁场作用下电子和原子核的磁矩是空间量子化的，相应地具有离散能级。当外加高频电磁场的能量子hv等于能级间距时，电子或原子核就从高频电磁场吸收能量，使之从低能级跃迁到高能级，从而在共振频率处形成吸收峰。 利用顺磁共振可研究分子结构及晶体中缺陷的电子结构等。核磁共振谱不仅与物质的化学元素有关，而且还受原子周围的化学环境的影响，故核磁共振已成为研究固体结构、化学键和相变过程的重要手段。核磁共振成像技术与超声和X射线成像技术一样已普遍应用于医疗检查。铁磁共振是研究铁磁体中的动态过程和测量磁性参量的重要方法。 磁共振基本原理
磁共振（回旋共振除外）其经典唯象描述是：原子、电子及核都具有角动量，其磁矩与相应的角动量之比称为磁旋比γ。磁矩M 在磁场B中受到转矩MBsinθ（θ为M与B间夹角）的作用。此转矩使磁矩绕磁场作进动运动，进动的角频率ω=γB，ωo称为拉莫尔频率。由于阻尼作用，这一进动运动会很快衰减掉，即M达到与B 平行，进动就停止。但是，若在磁场B的垂直方向再加一高频磁场b（ω）（角频率为ω），则b（ω）作用产生的转矩使M离开B，与阻尼的作用相反。如果高频磁场的角频率与磁矩进动的拉莫尔（角）频率相等ω =ωo，则b（ω）的作用最强，磁矩M的进动角（M与B角的夹角）也最大。这一现象即为磁共振。 磁共振也可用量子力学描述：恒定磁场B使磁自旋系统的基态能级劈裂，劈裂的能级称为塞曼能级（见塞曼效应），当自旋量子数S=1/2时，其裂距墹E=gμBB，g 为朗德因子， 为玻尔磁子，e和me为电子的电荷和质量。外加垂直于B的高频磁场b（ω）时，其光量子能量为啚ω。如果等于塞曼能级裂距，啚ω=gμBB=啚γB，即ω=γB（啚=h/2π，h为普朗克常数），则自旋系统将吸收这能量从低能级状态跃迁到高能级状态（激发态），这称为磁塞曼能级间的共振跃迁。量子描述的磁共振条件ω=γB，与唯象描述的结果相同医`学教育网搜集整理。
近代物理实验报告顺磁共振实验 学院 班级 姓名 学号 时间2014 年 5 月10 H
顺磁共振实验实验报告 【摘要】 电子顺磁共振又称电子自旋共振。由于这种共振跃迁只能发生在原子的周有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和周体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡獻所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。 【关键词】 顺磁共振，自旋兰闵子，检波 【引言】 顺磁共振（EPR）又称为电子肖旋共振（ESR）,这是冈为物质的顺磁性主要来自电子的自旋。电子自'旋共振即为处于恒定磁场中的电子自旋在射频场或微波场作用下的磁能级间的共振跃迁现象。顺磁共振技术得到迅速发展后广泛的应用于物理、化学、生物及医学等领域。电子肖旋共振方法具有在高频率的波段上能获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行超低含量分析，但并不破坏样品的结构，对化学反应无干扰等优点，对研究材料的各种反应过程中的结构和演巫，以及材料的性能具有重要的意义。研究了解电子自旋共振现象，测量有机自由基DPPH的g闵子值，了解和掌握微波器件在电子自由共振中的应用，从矩形谐振长度的变化，进一步理解谐振腔的驻波。
【正文】 一、实验原理 (1)电子的肖旋轨道磁矩与肖旋磁矩 原子中的电子由于轨道运动，具有轨道磁矩，其数值为：刀儿，负 号表示方向同E相反。在量子力学中E=』(/+1)方,因而均=屮Q+1)-^― = Jo + “B = 4r~ -九，其中2叫称为玻尔磁子。电子除了轨道运动外 “、= y]s(S+\) —还具有自旋运动，因此还具有肖旋磁矩，其数值表示为：m 叫。 由于原子核的磁矩可以忽略不计，原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子 少 _ & 丄号&=] + 旳+Ta+i)+s(w) 的总磁矩：2他,其中弐是朗德闵子：2山+ 1) 。 在外磁场中原子磁矩要受到力的作用，其效果是磁矩绕磁场的方向作旋进，也e 就是巧绕着磁场方向作旋进，引入回磁比2叫，总磁矩可表示成H严泻。同 时原子角动量巧和原子总磁矩"丿取向是量子化的。勺在外磁场方向上的投影为： Pj =斤谄,m = jJ-\J-2,...-j o其中m称为磁量子数，相应磁矩在外磁场方向 上的投影为：“丿=ymh=-mg“B ; m = j,j-Xj-2、??.一j。 (2)电子顺磁共振
一维氢谱： 一维碳谱： 二维谱： 异核相关谱：HSQC, HMQC, HMBC 异核相关谱特别是13C-HSQC(HSQCED)比一般一维碳谱要灵敏的多，同时还能区分与奇数或偶数相连的碳，结合HMBC，能有效监测碳的化学位移并节省时间。建议做1维碳谱的同学，做13C-HSQC和13C-HMBC和一维氢谱。 同时也可以作15N-HSQC，15N-HMBC。 同核相关谱：dqfCOSY, NOESY, TOCSY，ROESY 对于小分子COSY通过化学耦合常数观测三键相连的氢-氢相关， NOESY主要用来测量氢-氢的距离相关，对于小分子可以采用长的混合时间通常是大于300毫秒；TOCSY主要用来检测氢-氢通过耦合常数耦合并在一定混合时间内达到全程相关，可以用来观测长于三键的氢-氢相关。ROESY与NOESY相似，对于分子量在1000-2000道尔顿的化合物，ROESY比较理想。 考虑到不同课题组的研究内容不同，有些需要在水溶液或者在D2O里做，这就要考虑溶剂峰的压制。激发雕蚀压水比较理想，可以利用此技术来压制溶剂峰。通常的一维和二维实验都要采取压制溶剂峰的脉冲序列。 交换实验：用NOESY的脉冲序列，只是改变交换混合时间d8，做一系列实验二维实验。化学交换实验可以测定化合物两种构象之间的交换速率，同时也能区分同一组成中的两种构象。对于对映体的区分比较有用。同时有可能观测到交换过程中的中间体。 下面是三台核磁仪器上的实验参数名称 核磁402: 1.2DNOESYinD2O:此实验主要利用压水的脉冲序列，如果有水存在样品，可以考虑用 此参数。对于小分子化合物，建议设置d8在500ms-800ms范围内。同时此脉冲可以用来在有水存在下作交换实验，类似EXSY。 2.1DinD2O:压水的1维氢谱，水溶剂的峰几乎可以压到溶质峰以下 3.dqfCOSY:双量子过滤的COSY 4.TOCSYinD2O:在有水存在下的TOCSY实验，水峰可以达到理想的压制。
实验题目：铁磁共振 实验目的：学习用传输式谐振腔法研究铁磁共振现象，测量YIG小球（多晶）的共振线宽和g因子。 实验仪器：微波发生器，隔离器，定向耦合器，晶体检波器，微安计，谐振腔，铁氧体小球，精密衰减器，磁铁，示波器。 实验原理：（点击跳过实验原理和实验内容） 铁磁共振：在微波波段，只有铁氧体对微波吸收最小。当满足一定条件时，铁磁性物质从微波磁场中强烈吸收能量的现象称为铁磁共振。 当外加稳恒磁场B时，铁氧体对微波的吸收剧烈变化，在处吸收最强烈，成为共振吸收，此现象极为铁磁共振。这里为微波磁场的角频率，为铁磁物质的磁旋比： 铁磁共振试验通常采用谐振腔法，该法灵敏度高，但测量频率较窄。本试验用传输式谐振腔，其传输系数与样品共振吸收的关系简单，便于计算，但难以用抵消法提高灵敏度。 将铁氧小球置于谐振腔微波磁场的最大处，使其处于相互垂直的稳恒磁场B和微波磁场Hm 中，保持微波发生器输出功率恒定，调节谐振腔或微波发生器，使谐振腔的频率与微波磁场的频率相等，当改变B的大小时，由于铁磁共振，在谐振腔始终调谐时，在输入功率不变的情况下，输出功率为： （为腔的品质因数）。因而的变化可通过的变化来测量。然后通过P-B曲线可得。 必须注意的是，当B改变时，磁导率的变化会引起谐振腔谐振频率的变化（频散效应），故实验时，每改变一次B都要调节谐振腔（或微波发生器频率），使它与输入微波磁场的频率调谐，以满足上式的关系，这种测量称逐点调谐，可以获得真实的共振吸收曲线，如图2.3.2-5，此时，对应于B1、B2的输出功率为： 式中P0、P r、和P1/2分别是远离共振点、共振点和共振幅度半高处对应的输出功率。因此根据测得曲线，计算出P1/2，既能确定出。 试验时直接测量的不是功率，而是检波电流I。