实验七顺磁共振
一实验目的：1.了解观测电子自选共振波谱的微波系统，熟悉一些微波器件的使用方法及反射式谐振腔的工作特性；2.同赴刚果对DPPH自由基的电子自旋共振谱线的观察，了解电子自旋共振现象及共振特征。学会测量共振场、自由基g因子、共振线宽和弛豫时间，加深对电子自选共振知识的理解。
二原理
电子自旋共振（ESR）或电子顺磁共振（EPR），是指含有没成对电子的原子、离子或分子的顺磁性物质，在稳恒磁场作用下对微波能量发生的共振吸收现象。如果共振仅仅涉及物质中的电子自旋磁矩，就称为电子自旋共振；但一般情况下，电子轨道磁矩的贡献是不能忽略的，因而又称之为电子顺磁共振。电子自旋共振（顺磁共振）研究的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的电子自旋共振波谱的观测（测量g因子、线宽、弛豫时间、超精细结构参数等），可以了解这些物质中未成对电子状态及其周围环境方面的信息，因而它是探索物质微观结构和运动状态的重要工具。
由于这种方法在研究过程中不改变或破坏被研究对象本身的性质，因而对那些寿命短、化学活性高、又很不稳定的自由基或三重态分子就显得特别有用。近年来，一种新的高时间分辨ESP技术，被用来研究激光光解所产生的瞬态顺磁物质（光解自由基）的电子自旋极化机制，以便获得分子激发态和自由基反应动力学方面的信息，成为光物理与光化学研究中，了解光与分子相互作用的一种重要手段。电子自选共振技术的这种独特作用，以及随着科学技术的发展，波谱仪的灵敏度和分辨率的不断提高，使得自1945年发现以来，已经在物理学、化学、生物学、医学、考古等领域得到了广泛地应用。
处在外磁场中的原子或离子的能级会发生塞曼分裂；某些物质在磁场中磁化时，呈现顺磁性，而另外一些物质磁化后，表现为抗磁性；此外，在外磁场和交变辐射场的共同作用下，有些物质会发生磁共振吸引现象，等等。这些现象的表现形式虽然不同，但都与原子的结构或原子的磁性相关联。
1.原子的磁矩
按经典理论，原子中的电子既有轨道运动，又有自旋运动。对于电子的轨道运动，它相应的轨道磁矩为：
μl=?e
2m e
P l（7-1）式中P l为电子轨道运动角动量，e为电子电荷，m为电子质量，负号表示电子轨道磁矩与轨道角动量的方向相反。磁矩和角动量的数值用量子力学和表达式，可以写成：
μl=?
e
2m e
P l
P l=√l(l+1)?
其中l=0，1，2，…，为零或正整数，称为轨道角动量量子数。同样地，电子自旋磁矩μs与电子自旋角动量P s之间也有类似的关系：
μs=?e
m e
P s（7-2）其数值分别为：
μs=?
e
m e
P s
P s=√s(s+1)?
式中s=1/2，为电子的自旋量子数。
对于单电子原子，电子的轨道角动量与自旋角动量合成为原子的总角动量，原子的总磁矩也是相应的磁矩的矢量和：
μj=?g j e
2m e
P j（7-3）可以证明，原子总磁矩与总角动量之间有如下的数值关系：
μj=g j e
2m e
P j（7-4）其中
P j=√j(j)
g j=1+j(j+1)?l(l+1)+s(s+1)
2j(j+1)
g j称为朗德因子，也常称为光谱分裂因子。总角动量量子数j= l+s，l+s?1，……，|l?s|，如果只计及电子的轨道运动，g=1；而对电子的自旋运动，g=2，这相当于轨道角动量被猝灭。在自由基DPPH（二苯基—苦基基）的分子中，它的一个氮原子上有一个未成对电子，其结构如下：
实验表明，它的g因子非常接近自由电子的g值（即g=2.0023）。作为很好的近似，可以认为有机自由基的磁矩全部来源于电子自旋。
对于含有两个或两个以上电子的原子，其总磁矩与总角动量的数值具有与式（7-4）相同的形式：
μJ=g J e
2m e
P J（7-5）g J因子的数值视不同电子间的自旋和轨道运动是按LS方式还是按jj方式耦合而定。一般规律是，在多电子原子中，原子序数较小（Z<32）的结构比较接近LS耦合，到Z=82（即Pb），完全是对于同一个电子组态，在LS耦合或jj耦合中，所形成的原子态的数目是相同的，代表原子态的量子数J值也相同，所不同的是能级的间隔，这反映了不同电子之间多种相互作用强弱对比的不同。由于不同的耦合方式所产生的效果都反应在g J因子的数值上，为了下面表述方便，我们将式（7-3-4）和式（7-3-5）中的量子数脚标去掉，写成一般的形式：
μ=g e
2m e
P（7-6）
只需记住，在不同的情形中，g因子的算法是不一样的就可以了。
式（10-6）又可以写成：
μ=γP
比例系数γ=g e
2m e
，称为旋磁比。由于电子的轨道运动和自旋运动所对应的g因子分别是g=1和g=2，因为电子自旋的旋磁比正好是轨道旋磁比的二倍。
在外磁场中，角动量和磁矩的空间取向都是量子化的。设外磁场的方向沿z方向，角动
量在z方向上的投影为：
P z=M z?
相应的磁矩在外磁场方向上的分量等于：
μz=g e
2m e
M z?（7-7）
引入μB=?e
2m e
，称为波尔磁子。上式写成：
μz=gM z μB（7-8）
M z=J,J?A,…,?J，为角动量的磁量子数，共有2J+1个值。
2.电子顺磁共振（电子自旋共振）
在唯象理论中，电子自旋好像一个高速自转的“陀螺”，其磁矩在外恒磁场的作用下会发生拉莫尔进动，这种运动收到材料内部阻尼作用的影响，幅度会逐渐减少，最后磁矩将停留在外磁场的方向上。如果在加外磁场的同时，沿垂直于外磁场方向加一个微波场，当微波的频率与磁矩进动的频率一致时，微波能量将被强烈吸收，这就是共振现象。被吸收的能量为磁矩进动提供克服阻尼的动力，使进动能够持续下去。从量子力学的观点看，共振是指在某一特定的外磁场作用下，微波场与磁矩间相互作用而发生的赛曼能级间的感应跃迁。
处于外加稳恒磁场中的磁矩，它与磁场之间的磁相互作用能（静磁能）为：
E=?μ?H
前面我们曾经提到，磁矩在外磁场方向上的分量是量子化，其大小由式（7-8）表示。于是上式可写成：
E=?gM z μB H（7-9）
对于电子自旋，磁量子数M z只能取二个值，即M z=±1
2
，对应的能级分别是：
E a=1
2
gμB H
E b=?1
2
gμB H
这表示，当H=0，E a=E b=0，自旋朝上（M z=1
2）和自旋朝下（M z=?1
2
）的电子具有相
同的能量。当H≠0，原来的能级劈裂成两个能级，这两个能级之间的差值与外恒磁场成正比：
?E=E a?E b=gμB H（7-10）如果在单电子原子或自由基分子所在的稳恒磁场区加一个同稳恒磁场相垂直的微波场，调节它的频率v，使一个微波量子的能量hv正好等于上述能级差，即
hν=gμB H（7-11）那么，电子在相邻的能级之间将发生磁偶极共振跃迁，结果有一部分低能级E b中的电子吸收了微波能量跃迁到高能级E a中，这就是电子自旋共振现象，而式（7-11）就是实现电子自旋共振（或顺磁共振）所应满足的条件。还需说明的是，热平衡时，处在能级E a与E b上的未成对电子数目应满足玻尔兹曼分布。简单的计算说明，常温下相邻能级上的电子数差值及能级差?E都非常小。这就意味着，自旋共振信号是相当弱的。要想观测到这些共振信号，实验装置必须有足够高的灵敏度。
如果共振频率用圆频率表示，式（7-11）又可以写成另一个等效的共振关系：
ω=γH（7-12）为了满足共振条件式（7-11）或式（7-12），实验中可以采用改变微波频率（扫频）或改变外恒磁场（扫场）两种方式来进行调节。本实验采用固定微波频率改变外磁场的扫场方式。
3.g因子
正如以上所描述的，g因子不仅反映了原子或离子晶体中电子自旋—轨道相互作用的大小，也反映了赛曼能级分裂的宽度，在本质上显示局部磁场的特征。
g因子的理论计算是一个复杂的问题，实际上只能对某些比较简单的情况进行计算。在过渡族（3d）或稀土（4f）金属晶体中，由于原子排列的空间周期性，会产生一个周期性的带电粒子静电相互作用场（晶场）。对3d电子来说，因其直接暴露在晶场中，电子的轨道运动受到晶场的影响，对称性降低，不再是角动量的本征态，或者说轨道磁矩被“猝灭”。因而其g值近似等于2；而稀土4f电子由于受外层电子的屏蔽作用，晶场影响小，电子的轨道运动没有完全被“猝灭”，因此必须考虑轨道运动对磁矩的贡献。而且，在多数过渡金属离子及其化合物中，轨道运动的贡献是不能忽略的，这是因为一方面晶场的作用倾向于猝灭轨道角动量，另一方面自旋—轨道耦合作用又倾向于再生轨道角动量，g的数值就反映了这两种作用互相竞争的结果。此外，还存在电子自旋与核磁矩之间的相互作用，使得g的数值在一个比较大的范围内变化，并使电子自旋共振波谱出现复杂的超精细结构。
还必须指出，在晶体中，g因子不一定是各向同性的。只有对某些类型的晶体，如立方体、四方体和八面体等，g是各向同性，一般情况g表现出各向异性的特征，因而共振场的数值与外加磁场的方向相对于晶轴的取向有关。这种情况下g因子的具体计算相当复杂，甚至不可能，因而实际上g因子的数值通常是由实验测定的。
4.线宽、弛豫作用
当共振条件得到满足而发生共振时，似乎应该只出现一条很窄的吸收线。但实际情况是共振谱线不是无限窄，而是有一定的宽度，而且对不同的样品这个宽度可以有很大的差别。
我们知道，当共振发生时，电子会出现受激跃迁，而且电子在能级间的这种跃迁过程，是一个动态平衡过程，因而电子在某一能级上停留的时间（即寿命）δt是不确定的。根据量子力学不确定关系，能级也应有一定的宽度δE，使得
δE?δt~?
从式（7-3-10）和式（7-3-12），这个不确定关系又可以写成，
δH?δt~1
（7-13）
γ
这说明，共振谱线至少应有δH的宽度。这个宽度反映了体系内“自旋—晶格相互作用”的强弱，这种作用越强，说明自旋—晶格能量交换越强，δt就越短，δH就越宽。实际的谱线宽度，还要受到存在于体系内部不同分子间的“自旋—自旋相互作用”的影响。这种相互作用造成了体系内部局部磁场有起伏，因而对某一给定自旋来说，它所感受到的共振场是外加恒磁场与其所在处的局部磁场之和。也就是说，在满足共振条件的情况下，外加恒磁场不再是一个定值，而是在以共振场为中心的某一个小范围内变化，因而得到的谱线实际上是许多无限窄谱线的非相干叠加。
由此可见，实际的谱线宽度是自旋—自旋耦合与自旋—晶格耦合共同起作用的结果。这个宽度称为谱线半高宽度，简称线宽。线宽的存在表明，当发生电子顺磁共振时，顺磁系统达到新的热平衡状态是需要一个弛豫过程的。弛豫过程愈快，线宽就愈宽，因此线宽可以看作是弛豫强弱的度量。
我们引进一个表征弛豫快慢的物理量——弛豫时间T，它由下式定义：
?H=1
γT
式中，?H为线宽。一般情况下，1
T
可以写成两项之和：
1 T =1
2T1
+1
T2
T1和T2分别与自旋—晶格弛豫和自旋—自旋弛豫机制相关联。前者称为纵向弛豫时间，后者称为横向弛豫时间。T1和T2哪一个对线宽起决定作用主要取决于二种相互作用谁强谁弱。在许多体系中，尤其对稳定的自由基，T1?T2，因此实际上T?T2.对洛仑兹线型，从布洛赫方程可以得到：
T2=2
γ?H
（7-14）实验内容
一、实验装置
微波电子顺磁共振实验装置图
电子自旋共振信号图
微波顺磁共振实验系统由三厘米固态信号发生器、隔离器、可变衰减器、波长计、魔T、匹配负载、单螺调配器、晶体检波器、矩形样品谐振腔、耦合片、磁共振实验仪、电磁铁等
H面弯波导，波导支架等元件。
三厘米固态信号发生器：是一种使用体效应管做振荡源的信号发生器，为顺磁共振实验系统提供微波振荡信号。
隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其哦对微波具有单方向传播的特性。隔离器常用于振荡器与负载之间起隔离和单向传输作用。
可变衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直与矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率吗，沿着宽边移动吸收可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。
里的电磁场极为微弱。此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度通过查表可得知输入微波谐振频率。
部吸收入射功率。
微波源：微波源可采用反射式速调管微波源或固态微波源。本实验采用3cm固态微波源，它具有寿命长、输出频率较稳定等优点，用其作微波源时，ESR的实验装置比采用速调管简单。因此固态微波源目前使用比较广泛。通过调节固态微波源谐振腔中心位置的调谐螺钉，可使谐振腔固有频率发生变化。调节二极管的工作电流或谐振腔前法兰盘中心处的调配螺钉可改变微波输出功率。
魔T：魔T2
有四个臂相当于一个E~T和一个H~T组成，故又称双T，是一种互易无
有S矩阵可证明，只要1、4臂同时调到匹配，则2、3臂也自动获得匹配，反之亦然。E臂和H臂之间固有隔离，反向臂2、3之间彼此隔离，即从任一臂输入信号都不能从相对臂输出，只能从旁臂输出。信号从H臂输入，同相等分给2、3臂，E臂输入则反相等分给2、3臂。由于互易性原理，若信号从反向臂2，3同相输入，则E臂得到它们的差信号，H臂得到它们的和信号，反之，若2、3臂反相输入，则E臂得到H臂得到差信号。
当输出的微波信号经隔离器、衰减器进入魔T的H臂同相等分给2、3臂，而不能进入E臂。3臂接单螺调配器和终端负载，2臂接可调的反射式矩形样品谐振腔，样品DPPH在腔内的位置可调整。E臂接隔离器和晶体检波器，2、3臂的反射信号只能等分给E、H臂，当3臂匹配时，E臂上微波功率仅取自于2臂的反射。
样品腔：样品腔结构，是一个反射式终端活塞可调的矩型谐振腔。谐振腔的末端是可移动的活塞，调节活塞位置，使腔长度等于半个波导波长的整数倍时，谐振腔谐振。当谐振腔
谐振时，电磁场沿谐振腔长l方向出现P个长度为的驻立半波，即TE模式。腔内闭
一驻立半波磁力线的方向相同、相邻驻立半波磁力线的方向相反。在相邻两驻立半波空间交界处，微波磁场强度最大，微波电场最弱。满足样品磁共振
吸收强，非共振的介质损耗小的要求，所以，是放置样品最理想的位置。在实验中应使外加恒定磁场B垂直于波导宽边，以满足ESR共振条件的要求。样品腔的宽边正中开有一条窄槽，通过机械传动装置可使样品处于谐振腔中的任何位置并可以从窄边上的刻度直接读数，调节腔长或移动样品的位置，可测出波导波长。
实验步骤
1、连接系统,将可变衰减器顺时针旋至最大, 开启系统中各仪器的电源,预热20分钟。
2.按使用说明书调节各仪器至工作状态。
3.调节微波桥路，用波长表测定微波信号的频率，使谐振腔处于谐振状态，将样品置于交变磁场最强处。
4.调节晶体检波器输出最灵敏，并由波导波长的计算值大体确定谐振腔长度及样品所在位置，然后微调谐振腔的长度使谐振腔处于谐振状态。
5.搜索共振信号，按下扫场按扭，调节扫场旋钮改变扫场电流，当磁场满足共振条件时在示波器上便可看到共振信号。调节仪器使共振信号幅度最大，波形对称。
6.使用高斯计测定磁共振仪输出电流与磁场强度的数值关系曲线，确定共振时的磁场度。
7.根据实验测得的数据计算出g因子。
二、预习要求及问题
1.电子自旋共振研究的对象是什么？
2.材料g值的大小和?H的宽窄，反映什么微观现象和微观过程？
3.弄清楚本微波测量系统中各元件及各种测量仪器的使用方法。
4.了解反射式谐振腔的谐振特性。
7-4 微波顺磁共振 赵滨华 电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年,S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功.Stern和Ger1aok也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。 电子自旋共振(Electron Spin Resonance),缩写为ESR,又称顺磁共振(Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似,所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR 实验技术后来也被用来观测ESR现象. ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子；研究半导体中的杂质和缺陷；离子晶体的结构；金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以,ESR也是一种重要的近代物理实验技术。+ ESR的研究对象是具有不成对电子的物质,如(1)具有奇数个电子的原子,象氢原子;(2)内电子壳层未被充满的离子,如过渡族元素的离子;(3)具有奇数个电子的分子,如NO; (4)某些虽不含奇数个电子,但总角动量不为零的分子,如O ; (5)在反应过程中或物质因受辐射作用产生 2 的自由基;(6)金属半导体中的未偶电子等等,通过对电子自旋共振波谱的研究,即可得到有关分子、原子或离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息,从而得到有关的物理结构和化学键方面的知识。 “电子自旋共振”,与“核磁共振”的不同点在于电子磁矩较核磁矩大三个数量级,因此在实验中,若二者的共振频率大致相同,则电子自旋共振所需的外加静磁场要小得多,由螺线管产生就够了。 用电子自旋共振方法研究未成对的电子,可以获得其它方法不能得到或不能准确得到的数据。如电子所在的位置,游离基所占的百分数等
微波段电子自旋共振实验 电子自旋共振（ESR ）谱仪是根据电子自旋磁矩在磁场中的运动与外部高频电磁场相互作用，对电磁波共振吸收的原理而设计的。因为电子本身运动受物质微观结构的影响，所以电子自旋共振成为观察物质结构及其运动状态的一种手段。又因为电子自旋共振谱仪具有极高的灵敏度，并且观测时对样品没有破坏作用，所以电子自旋共振谱仪被广泛应用于物理、化学、生物和医学生命领域。 一. 实验目的 1. 本实验的目的是在了解电子自旋共振原理的基础上，学习用微波频段检测电子自旋共振信号的方法。 2. 通过有机自由基DPPH 的g 值和EPR 谱线共振线宽并测出DPPH 的共振频率，算出共振磁场，与特斯拉计测量的磁场对比。 3. 了解、掌握微波仪器和器件的应用。 4. 学习利用锁相放大器进行小信号测量的方法。 二. 实验原理 具有未成对电子的物质置于静磁场B 中，由于电子的自旋磁矩与外部磁场相互作用，导致电子的基态发生塞曼能级分裂，当在垂直于静磁场方向上所加横向电磁波的量子能量等于塞曼分裂所需要的能量，即满足共振条件B ?=γω，此时未成对电子发生能级跃迁。 Bloch 根据经典理论力学和部分量子力学的概念推导出Bloch 方程。Feynman 、Vernon 、Hellwarth 在推导二能级原子系统与电磁场作用时，从基本的薛定谔方程出发得到与Bloch 方程完全相同的结果，从而得出Bloch 方程适用于一切能级跃迁的理论，这种理论被称之为FVH 表象。 原子核具有磁矩： L ?=γμ； （1） γ称为回旋比，是一个参数；L 表示自旋的角动量； 原子核在磁场中受到力矩： B M ?=μ； （2）
近代物理实验 实验名称：电子顺磁共振姓名：张超 学号： 3110831032 指导老师：解光勇
【实验目的】 1、在了解电子自旋共振原理的基础上，学习用微波频段检查电子自旋共振信号的方法。 2、观察共振信号波形，李萨如图形和色散图形。 3、测定DPPH 中电子的g 因子。 【实验内容】 1、将DPPH 样品插在示波器的小孔中； 2、打开电源，将示波器的输入通道打在直流（DC ）档上； 3、调节检波器中的旋钮，使直流（DC ）信号输出最大； 4、调节端路活塞，再使直流（DC ）信号输出最小； 5、将示波器的输入通道打在交流（AC ）档上，幅度为5mV 档； 6、这是在示波器就可以观察到共振信号，但此时的信号不一定为最强，可以在小范围内调节端路活塞与检波器，也可以调节样品在磁场中的位置（样品在磁场中心处为最佳状态），使信号达到一个最佳的状态； 7、信号调出以后，关机，将阻抗匹配器接在环型器中的（II ）端与钮波导中间，开机，通过调节阻抗匹配器上的旋钮，就可以观察到吸收或色散波形； 8、由磁铁感应强度B ，微波频率f ，根据B γω=，计算出旋磁比γ，又因为e m e g 2?-=γ，所以有：B e f m g ??-=π4，计算出朗德g 因子值。
【实验仪器】 电子顺磁共振谱仪、示波器等。 实际实验时的实际仪器图如下图所示
电子顺磁共振谱仪有谐振腔、微波源、隔离器、环形器、晶体检波器、扭波导、短路活塞和阻抗调配器八部分组成。 【实验原理】 电子自旋共振(ESR)或电子顺磁共振(EPR)，是指在稳恒磁场作用下，具有未成对电子的物质置于静磁场z B 中，由于电子自旋磁矩与外 部磁场相互作用导致电子的基态发生塞曼能级分裂：Z B B g E μ=?（B μ为波尔磁矩，g 为无量纲参数）；当在垂直于静磁场方向上所加横向电磁波的量子能量ωn 等于E ?时，满足共振条件，此时未成对电子由下能级跃迁上能级。1944年，苏联物理学家扎沃伊斯基首次从2CuCl 、2MnCl 等顺磁性盐类发现。电子自旋共振（顺磁共振）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（测量因子、
实验三微波顺磁共振 电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年,S.A.Goudsmit和 G.Uhlenbeck用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功。Stern和Ger1aok也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。 电子自旋共振(Electron Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。 ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子、研究半导体中的杂质和缺陷、离子晶体的结构、金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以：ESR也是一种重要的近代物理实验技术。 ESR的研究对象是具有不成对电子的物质，如(1)具有奇数个电子的原子，象氢原子； (2)内电子壳层未被充满的离子，如过渡族元素的离子；(3)具有奇数个电子的分子，如NO； (4)某些虽不含奇数个电子，但总角动量不为零的分子，如O2；(5)在反应过程中或物质因受辐射作用产生的自由基；(6)金属半导体中的未成对电子等等，通过对电子自旋共振波谱的研究，即可得到有关分子、原子或离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关的物理结构和化学键方面的知识。 “电子自旋共振”与“核磁共振”的不同点在于电子磁矩较核磁矩大三个数量级，因此在实验中，若二者的共振频率大致相同，则电子自旋共振所需的外加静磁场要小得多，由螺线管产生就够了。 用电子自旋共振方法研究未成对的电子，可以获得其它方法不能得到或不能准确得到的数据。如电子所在的位置，游离基所占的百分数等等。 一、实验目的： 1.了解顺磁共振的基本原理。
微波电子自旋共振 【摘要】本文通过电子自旋共振实验，解释恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场 的作用下会发生磁能级间的共振跃迁现象。 一、引言 电子自旋的概念首先由Pauli于1924年提出。而电子自旋共振实验则是从1945年开始才发展起来的一项新技术。 电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子、内电子壳层未被充满的离子、受辐射作用产生的自由基及半导体、金属等。通过共振谱线的研究，可以获得有关分子、原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关物质结构和化学键的信息，故电子自旋共振是一种重要的近代物理实验技术，在物理、化学、生物、医学等领域有广泛用途。 “自旋”概念的明确提出：1925年，两位年轻的荷兰学生乌伦贝克和哥德斯密特，“为了解释反常塞曼效应”，受泡利不相容原理的启发，明确提出了电子具有自旋的概念，并证明了“自旋”就是泡利提出的“新自由度”。1926年，海森伯和约旦引进自旋S，用量子力学理论对反常塞曼效应作出了正确的计算。1927年，泡利引入了泡利矩阵作为自旋操作符号的基础，引发了保罗-狄拉克发现描述相对论电子的狄拉克方程式。 电子自旋共振(ESR，Electron Spin Resonance)是一种奇妙的实验现象，也被称为电子顺磁共振(EPR，Electron Paramagnetic Resonance)。它利用具有未偶电子的物质在外加恒定磁场作用下对电磁波的共振吸收特性，来探测物质中的未偶电子，研究其与周围环境的相互作用，从而获得有关物质微观结构的信息。电子自旋共振现象直到1944年才由苏联喀山大学的扎沃伊斯基(E.K.Зabouchuǔ)在实验中观察到。 二、实验原理 1、量子力学解释 μ的关系为： 电子具有自旋，其自旋角动量Pe和自旋磁矩e 图1 自旋能级在磁场中的取向 g为朗德因子，Bμ为玻耳磁子，其值为5.7883785×1O-11MevT-1。若电子处于外磁场 μ在空间的取向是量子化的，Pe在Z方向的B（沿Z方向）中，据量子力学可知Pe和e
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）
微波顺磁共振
7-4 微波顺磁共振 赵滨华 电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年,S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功.Stern和Ger1aok 也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。 电子自旋共振(Electron Spin Resonance),缩写为ESR,又称顺磁共振(Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似,所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象. ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子；研究半导体中的杂质和缺陷；离子晶体的结构；金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以,ESR也是一种重要的近代物理实验技术。+ ESR的研究对象是具有不成对电子的物质,如(1)具有奇数个电子的原子,象氢原子;(2)内电子壳层未被充满的离子,如过渡族元素的离子;(3)具有奇数个电子的分子,如NO; (4)某些虽不含奇数个电子,但总角动量不为零的分子,如O2; (5)在反应过程中或物质因受辐射作用产生的自由基;(6)金属半导体中的未偶电子等等,通过对电子自旋共振波谱的研究,即可得到有关分子、原子或离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息,从而得到有关的物理结构和化学键方面的知识。 “电子自旋共振”,与“核磁共振”的不同点在于电子磁矩较核磁矩大三个数量级,因此在实验中,若二者的共振频率大致相同,则电子自旋共振所需的外加静磁场要小得多,由螺线管产生就够了。 用电子自旋共振方法研究未成对的电子,可以获得其它方法不能得到或不能准确得到的数据。如电子所在的位置,游离基所占的百分数等等。 一．实验目的： 1.了解顺磁共振的基本原理。 2.观察在微波段的EPR现象，测量DPPH自由基中电子的g因子。 3.利用样品有机自由基DPPH在谐振腔中的位置变化，探测微波磁场的情况，确定微波的波导波长?Skip Record If...? 二、实验原理: 由原子物理可知，自旋量子数?Skip Record If...?的自由电子其自旋角动量?Skip Record If...? ?Skip Record If...??Skip Record If...?,h=6.62?10-34 J?s，称 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢7
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
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。
微波电子顺磁共振 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。 实验目的 1．研究微波波段电子顺磁共振现象。 2．测量DPPH 中的g 因子。 3．了解、掌握微波仪器和器件的应用。 4．进一步理解谐振腔中TE 10波形成驻波的情况，确定波导波长。 实验原理 本实验有关物理理论方面的原理请参考有关“电子自旋（顺磁）共振”实验“微波参数测量”实验等有关章节。 在外磁场B 0中，电子自旋磁矩与B 0相互作用，产生能级分裂，其能量差为 0B g E B μ=Δ （1） 其中g 为自由电子的朗德因子，g=2.0023。 在与B 0垂直的平面内加一频率为f 的微波磁场B 1，当满足 h B g h E f B 0 μ=Δ= （2） 时，处于低能级的电子就要吸收微波磁场的能量，在相邻能级间发生共振跃迁，即顺磁共振。 在热平衡时，上下能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布 KT E e N N Δ?=1 2 （3） 由于磁能级间距很小，KT E <<Δ，上式可以写成 KT E N N Δ? =112 （4） 由于0>ΔKT E ，因此N 2 近代物理实验题目磁共振技术 学院数理与信息工程学院 班级物理082班 学号08220204 姓名 同组实验者 指导教师 光磁共振实验报告 【摘要】本次实验在了解如光抽运原理，弛豫过程、塞曼分裂等基本知识点的基础上，合理进行操作，从而观察到光抽运信号，并顺利测量g因子。 【关键词】光磁共振光抽运效应塞曼能级分裂超精细结构 【引言】光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。光磁共振方法现已发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。 【正文】 一、基本知识 1、铷原子基态和最低激发态能级结构及塞曼分裂 本实验的研究对象为铷原子，天然铷有两种同位素；85Rb（占72．15%）和87Rb（占27．85%）．选用天然铷作样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号．铷原子基态和最低激发态的能级结构如图1所示．在磁场中，铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂．标定这些分裂能级的磁量子数m F=F，F－1，…，－F，因而一个超精细能级分裂为2F＋1个塞曼子能级． 设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF，μF与外磁场B0相互作用的能量为 E＝－μF·B0＝g F m FμF B0（1） 这正是超精细塞曼子能级的能量．式中玻尔磁子μB＝9．2741×10－24J·T－1 ，朗德因子g F= g J [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ? 2F（F＋1）（2） 图1 其中g J= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ? 2J（J＋1）（3） 上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值．由式（1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差 ΔE＝g FμB B0（4） 式中ΔE与B0成正比关系，在弱磁场B0＝0，则塞曼子能级简并为超精细结构能级． 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 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 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 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 报告编号：YT-FS-7477-82 电子顺磁共振实验报告 范本(完整版) After Completing The T ask According To The Original Plan, A Report Will Be Formed T o Reflect The Basic Situation Encountered, Reveal The Existing Problems And Put Forward Future Ideas. 互惠互利共同繁荣 Mutual Benefit And Common Prosperity 电子顺磁共振实验报告范本(完整 版) 备注：该报告书文本主要按照原定计划完成任务后形成报告，并反映遇到的基本情况、实际取得的成功和过程中取得的经验教训、揭露存在的问题以及提出今后设想。文档可根据实际情况进行修改和使用。 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） 电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,EPR)，是指在稳恒磁场作用下，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(Zavoisky)首次从CuCl2 、MnCl2等顺磁性盐类发现。 电子自旋共振（顺磁共振）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（测量因子、线宽、弛豫时间、超精细结构参数等），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（光解自由基）的电子自旋极化机制，以获得分子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。 2.EPR基本原理 EPR 是把电子的自旋磁矩作为探针，从电子自旋 一、实验背景 早在1９３５年，著名苏联物理学家兰道（Lev Ｄa ｖydovich Landa ｕ 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（Ｈo ｇan ）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 关于微波电子顺磁共振实验报告 篇一：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(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,EPR)，是指在稳恒磁场作用下，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(Zavoisky)首次从CuCl2 、MnCl2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。 2.EPR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μ的小磁体放在外磁场H 中，它们的相互作用能为： E＝-μ· H = -μH cosθ 这里θ为μ与H 之间的夹角,当θ= 0 时，E = -μH, 能量最低，体系最稳定。θ=π时，E=μH，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： μs=－gβS 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=±1/2, 因此，自由电子在磁场中有两个不同的能量状态，相应的能量是： E±=±(1/2)geβH 记为： Eα= +(1/2)geβH Eβ= -(1/2)geβH 式中Eα代表自旋磁矩反平行外磁场方向排列，能量最高；Eβ代 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。 微波顺磁共振实验(微波段电子自旋共振) 1. 一定要认真阅读微波顺磁共振实验系统中各种仪器设备的说明书,要做到正确 使用,熟练操作。按说明书图四连接系统，将可变衰减器顺时针旋至最大，开启系统中各仪器的电源预热20分钟。 2. 描绘输出电流与磁场强度的曲线。“磁场”调节到最低，“扫场”调节到最大，按下“检波”按钮，此时磁共振仪处于检波状态。先确定磁共振实验仪输出电流与磁场强度H的数值关系曲线：把特斯拉计的探头固定于磁铁中央，从小到大调节“磁场”旋钮，记录一组电流与斯特拉计对应数值，注意读数的单位是T，1T=104高斯，将该数值描绘成曲线，在进行微波顺磁共振实验时，根据电流可得到磁场强度H的数值。 3. 信号源工作于“等幅”工作状态，调节可变衰减器和检波灵敏度旋钮使菜振实验仪的调谐电表批示占满度的2/3。 4. 用波长表测微波信号的频率，要按下“扫场”，本实验系统的工作频率应是9370MHZ，先旋转波长表的测微头，找到电表的跌落点，根据“波长频率刻度对照表”找出9370MHZ对应的波长表读数，然后慢慢耐心调节信号源的振荡频率调节秆，使其工作频率为9370MHZ。这一步一定要认真做好！为了避免波长表的吸收对实验的影响，在测完频率后要将波长表刻度旋开谐振点。 5.按下“检波”，一定要调节磁场为零。为使样品谐振腔对微波信号谐振，一定要细心调节样品谐振腔的可调终端的活塞，使调谐电表的指示为最小。为了提高系统的灵敏度，可减小可变衰减器的衰减量，使调节电表显示尽可能提高。然后调节魔T两支臂中所接样品谐腔上的活塞和单螺匹配器，使调揩电表尽可能向小的方向变化。以上几步一定要细心耐心调节，它是实验是否成功的关键！（这几步教师差不多调好，学生只需在附近细调就行了！不要大调！） 6.按下“扫场”，顺时针调节磁场电流，当电流达到1.7—1.9A之间时，示波器上出现电子共振信号。示波器调到x---y档，X轴的灵敏度为2—5V/DIV，Y轴的灵敏度为1—2V/DIV之间。如果共振波形峰值较小或示波器图形欠佳，可采用说明书是第9、10页的几种方法调整。在调节过程中一定要很认真细心耐心，多次反复，才能调整出稳定清晰的波形！ 7.读出共振仪的电流值，根据磁共振实验仪输出电流与磁场强度H的数值的关系的曲线，确定共振时的磁场强度，根据实验时测定的频率，代入电子自旋共振条件的公式，计算出电子g因子。 8.实验完毕，要将“磁场”和“扫场”调到最小。关所有电源 电子自旋共振 【实验原理】 1. 电子的轨道磁矩和自旋磁矩 电子的轨道磁矩为 2l l e e P m μ=- l P 为电子轨道运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。轨道角动量和轨道磁矩分别为 l l P μ== 电子的自旋磁矩 s s e e P m μ=- s P 为电子自旋运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。自旋角动量和自旋磁矩分别为 s s P μ== 由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍。 对于单电子的原子，总磁矩 j μ与总角动量 j P 之间有 j j e e g P m μ=- 其中()()() () 111121j j l l s s g j j +-+++=++。对单纯轨道运动g 为1，对于单纯自旋运 动g 为2。 引入旋磁比γ，即有 j j e P e g m μγγ==- 在外磁场中 j P 和 j μ都是量子化的，因此 j P 在外磁场方向上投影为 ()(),1,,1,2π = =----z mh P m j j j j 相应的磁矩 j μ在外磁场方向上的投影为 ()(),1,,1,2γμπ = =----z mh m j j j j 由以上公式可得 4z B e mgeh mg m μμπ=- =- 4B e eh m μπ= 为玻尔磁子 2. 电子自旋共振（电子顺磁共振） 由于原子总磁矩 j μ的空间取向是量子化的，因此原子处在外磁场B 中时，磁矩 与外磁场的相互作用也是量子化的，为 2j B mhB E B mg B γμμπ=-=- =- 相邻磁能级之间的能量差为 2hB E γπ?= 当向能量差为 20hB E γπ?= 的原子发射能量为20 hB h γνπ= 光子时，原子将这个光子 跃迁到高磁能级，这是发生在原子中的共振吸收跃迁现象，磁能级分裂是由电子磁共振实验报告
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