近代物理实验-电子顺磁共振

篇一：顺磁共振实验报告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 ?l??原子中的电子由于轨道运动，具有轨道磁矩，其数值为：l号表示方向同pl 相反。

在量子力学中pepl2me，负，因而?l??b1)?b?2me称为玻尔磁子。

电子除了轨道运动外，其中e还具有自旋运动，因此还具有自旋磁矩，其数值表示为：?s??eps?me。

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的总磁矩：?j??gej(j?1)?l(l?1)?s(s?1)pjg?1?2me，其中g是朗德因子：2j(j?1)。

近代物理实验讲义电子顺磁共振南京理工大学物理实验中心2009.1.20电子顺磁共振实验电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)又称电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)。

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电子自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。

1924 年，泡利（ Pauli）首先提出了电子自旋的概念。

1944 年，前苏联的柴伏依斯基首次观察到了电子顺磁共振现象。

1954 年开始，电子自旋共振逐渐发展成为一项新技术。

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、分子以及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、医学等领域有广泛的应用。

一 . 实验目的1．了解电子顺磁共振的原理。

2．掌握 FD-TX-ESR-II 型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法。

3．利用电子顺磁共振谱仪测量DPPH 的 g 因子。

二 . 实验原理A、测量原理原子的磁性来源于原子磁矩，由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的总磁矩由原子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。

原子的总磁矩μJ与总角动量 P J之间满足如下关系：g B P J P J(1)J式中μB 为玻尔磁子，为约化普朗克常量。

由上式可知，回磁比g B(2)其中 g 为朗德因子。

对于原子序数较小（满足L－S 耦合）的原子的朗德因子可用下式计算，J(J 1) S(S1) L(L 1)g 1(3)2J(J1)由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献（L=0，J=S），则 g=2。

实验⼋微波电⼦顺磁共振实验⼋微波电⼦⾃旋共振电⼦⾃旋共振⼜称电⼦顺磁共振。

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。

⼀、实验的⽬的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TE10波形成驻波的情况，确定波导波长。

在原⼦和分⼦中，电⼦处原⼦核的正电势内，在某些允许的轨道中作轨道运动。

1925年，当时还是学⽣的（Goudsmit 和Uhlenbeck ）认为电⼦不仅作轨道运动，⽽且像围绕着太阳旋转的⾏星那样，还进⾏⾃转。

按照这种模型，当原⼦和分⼦存在具有未配对电⼦的轨道时，由于电⼦⾃旋形成⼀个⼩磁偶极⼦，因⽽当外加⼀定强度的磁场后，由于电⼦⾃旋和磁场之间的相互作⽤，其轨道能级进⼀步劈裂成⼏个能级。

在这些特定的能级之间，如果发⽣电⼦跃迁，将引起电磁波的吸收和发射，这就是ESR 。

如果原⼦和分⼦的电⼦轨道全部是封闭壳层时，由泡利（Pauli ）原理，各电⼦轨道将分别被两个⾃旋相反的电⼦占有，由电⼦⾃旋产⽣的磁矩就彼此抵消。

因此也测不到ESR 。

原⼦核也和电⼦⼀样，由于核⾃旋也形成⼀个⼩磁体（核磁⼦），其中有代表性的就是质⼦（1H ）。

与ESR 的情况相同，如和外磁场之间的相互作⽤，也能使原⼦能级分裂，这时如果在分裂的能级间引起电磁波的吸收和发射，这就是NMR 。

⼆、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。

具有未成对电⼦的物质置于外磁场B 0中，由于电⼦⾃旋磁矩与外加磁场B 0相互作⽤，导致电⼦基态塞曼能级分裂，其能量差为：0B B g E µ=? （1）其中g=2.0023为⾃由电⼦的朗德因⼦。

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）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（即分子轨道中有单个排列的电子或几个平行排列的电子）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。

近代物理实验思考题答案一、夫兰克—赫兹实验1解释曲线I p －V G2形成的原因答；充汞的夫兰克-赫兹管，其阴极K 被灯丝H 加热，发射电子。

电子在K 和栅极G 之间被加速电压KG U 加速而获得能量，并与汞原子碰撞，栅极与板极A 之间加反向拒斥电压GA U ，只有穿过栅极后仍有较大动能的电子，才能克服拒斥电场作用，到达板极形成板流A I 。

2实验中，取不同的减速电压V p 时，曲线I p －V G2应有何变化？为什么？答；减速电压增大时，在相同的条件下到达极板的电子所需的动能就越大，一些在较小的拒斥电压下能到达极板的电子在拒斥电压升高后就不能到达极板了。

总的来说到达极板的电子数减小，因此极板电流减小。

3实验中，取不同的灯丝电压V f 时，曲线I p －V G2应有何变化？为什么？答；灯丝电压变大导致灯丝实际功率变大，灯丝的温度升高，从而在其他参数不变得情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。

灯丝电压不能过高或过低。

因为灯丝电压的高低，确定了阴极的工作温度，按照热电子发射的规律，影响阴极热电子的发射能力。

灯丝电位低，阴极的发射电子的能力减小，使得在碰撞区与汞原子相碰撞的电子减少，从而使板极A 所检测到的电流减小，给检测带来困难，从而致使A GK I U 曲线的分辨率下降；灯丝电压高，按照上面的分析，灯丝电压的提高能提高电流的分辨率。

但灯丝电压高, 致使阴极的热电子发射能力增加，同时电子的初速增大，引起逃逸电子增多，相邻峰、谷值的差值却减小了。

二、塞曼效应1、什么叫塞曼效应，磁场为何可使谱线分裂？答；若光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，分裂的条数随能级的类别而不同。

后人称此现象为塞曼效应。

原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩。

总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进从而可以使谱线分离2、叙述各光学器件在实验中各起什么作用?答；略3、如何判断F-P 标准具已调好？答；实验时当眼睛上下左右移动时候，圆环无吞吐现象时说明F-P 标准具的两反射面平行了。

微波顺磁共振和核磁共振【摘要】：微波顺磁共振实验利用扫场法测量g因子，进一步了解和掌握微波器件在电子自由共振中的应用；核磁共振实验在了解核磁共振原理的基础上，用扫频法观察核磁共振现象，利用核磁共振校准磁场和测量g因子。

【关键词】：扫场法扫频法 g因子【引言】：顺磁共振（EPR）又称为电子自旋共振（ESR），是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频场或微波场作用下的磁能级间的共振跃迁现象。

它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，广泛应用于物理、化学、生物及医学等领域。

核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象，产生的内因是原子具有自旋角动量和磁矩。

泡利在1924年提出核自旋的假设，1930年为埃斯特曼在实验上得到证实，表明原子核具有电荷分布，还有自旋角动量和磁矩。

目前，核磁共振已经广泛地应用到许多学科领域，是物理、化学、生物、临床诊断、计量科学和石油分析与勘探等研究中的一项重要实验技术，是分析测量不可缺少的实验手段。

【实验方案】：一、实验装置●微波顺磁共振实验系统●核磁共振实验系统二、 实验原理磁共振的研究对象是处于磁场中的磁矩，共振指的是外界频率与物体固有频率一致时，振幅增加的现象，即能量间的转移。

磁共振的的条件为h N v B g μ••=；其中，h = 6.627⨯-3410J S •为普朗克常量，v 为共振频率， B 为外加磁场强度， 常数μ为常数， Ng为比例因子（g 因子表征核的本性）。

公式中有两个常数和三个未知数，根据其中任意两个未知数可求出剩余的一个未知数。

●固定B 、N g 可以求v ，且1v T=，可以精确的测量时间，如GPS 系统。

● 固定v 、N g 可以求B ，可以精确的测量磁场强度。

●固定v 、B 可以求N g ，可以测量g 因子，求出对应的不同物质的性质。

三、 实验步骤 ● 微波顺磁共振（固定v =9370MHz ，调节B ）1.将可变衰减器顺时针旋至最大，“磁场”调节旋钮逆时针调到最低，“扫场”调节顺时针调到最大。

SUES大学物理选择性实验讲义磁学电子顺磁共振∗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，简称“EPR”；因为分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振，简称“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，在物理、化学、生物、医学等领域有广泛的应用。

通常情况下，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。

一实验目的1、了解、掌握电子顺磁共振仪的调节与使用。

2、理解微波波段电子顺磁共振现象。

3、测量DPPH样品中的g因子。

二实验设备电子顺磁共振仪、示波器、DPPH样品三实验原理在外磁场⃗B0中，未成对电子自旋磁矩与⃗B0相互作用，产生能级分裂（塞曼分裂），其能量差为∆E=gµB B0(1)∗修订于2010年10月27日其中µB=5.78838×10−5eV/T为玻尔磁子，g为样品中的未成对电子的朗德因子，它与自由电子的朗德因子g e=2.0023相近。

通过g因子我们可以了解顺磁分子内部结构的局部磁场特性，也可以判断其自旋角动量和轨道角动量对电子自旋磁矩的贡献大小。

在与⃗B0垂直的平面内加一频率为ν的微波磁场⃗B1，当满足hν=∆E=gµB B0(2)h=4.13571×10−15eV·s为普朗克常数，那么电子在相邻的能级之间发生磁偶极共振跃迁，结果有一部分低能电子吸收了微波能量而跃迁到高能级，这就是电子顺磁共振。

与核磁共振等实验类似，为了观察电子顺磁共振信号，通常采用扫场法，即在直流磁场⃗B0上迭加一个交变磁场⃗B′cosωt，这样样品就处在外磁场⃗B=⃗B+⃗B′cosωt中，当磁场扫过共振点，B=hνgµB(3)时，发生共振，通过示波器我们可以观测到共振信号（如图1）。

近代物理实验实验报告班级学号姓名上课时间联系电话实验I 光磁共振一、实验目的1通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识；2掌握光磁共振的实验技术；3测定铷原子的g因子和测定地磁场。

二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1. 思考题解答1）什么是光抽运效应？产生光抽运信号的实验条件是什么？怎样用光抽运信号检测来检测磁共振现象？2）如何确定水平磁场、扫场直流分量方向与地磁场水平分量方向的关系及垂直磁场与地磁场垂直分量的关系？3）扫场不过零，能否观察到光抽运信号？为什么？4）利用光抽运探测磁共振比直接探测磁能级之间的磁共振跃迁的信号灵敏度可提高多少倍？2. 创意实验J 铁磁共振一、实验目的1．了解铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象；2．测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；3．测量微波铁氧体的g因数二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1. 思考题解答1）本实验是怎样测量磁损耗的？实验中磁损耗又是通过什么来体现的？2）为什么在传输式谐振腔中有磁性样品时，腔的谐振频率会随外加稳恒磁场的改变而发生变化，并且在空腔的谐振频率上下波动，即产生所谓频散效应？3）如何精确消除频散效应？实验中是如何处理频散效应的？2. 创意实验K 核磁共振一、实验目的1.掌握ＮＭＲ的基本原理及观测方法；2.用磁场扫描法（扫场法）观察核磁共振现象；3.由共振条件测定氟核（１９Ｆ）的g因子。

二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1．思考题解答1）简述核磁共振的原理并回答什么是扫场法和扫频法？2）NMR实验中共用了几种磁场？各起什么作用？3）试想象如何调节出共振信号。

4)不加扫场电压能否观察到共振信号？2. 创意实验L 电子顺磁共振一、实验目的1．了解电子顺磁共振的原理；2．掌握FD-TX-ESR-II型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法；3．利用电子顺磁共振谱仪测量 DPPH的g因子。

电子顺磁共振实验1925年乌仑贝克和哥德斯密，为了说明碱金属原子能级的双层结构，首先提出了电子自旋的假说：电子作自旋转动，由于其带负电，故而电子具有的自旋磁矩的方向与其自旋角动量方向相反，但直到1944年扎伏伊斯基才首先观察到电子自旋共振现象。

电子自旋共振，即(ESR )，它是处于恒定磁场中电子自旋磁矩在射频(或微波)场作用下所引起磁能级的跃迁。

1954年开始，电子自旋共振（ESR ）逐渐发展成为一项新技术。

如其研究对象是具有原子固有磁距的顺磁性物质，又称之为电子顺磁共振(即EPR ）顺磁物质。

如3d 壳层未满的铁族与3d 壳层未满的稀土族元素所组成的化合物，含有自旋不配对的自由基有机化合物都是研究ESR 的重要对象。

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何化学键的信息，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、医学等领域有广泛的应用。

本实验要求观察电子自旋共振现象，观察顺磁离子对共振信号的影响，测量DPPH 中电子的g 因子，并利用电子自旋共振测量地球磁场的垂直份量。

【实验目的】1．学习电子自旋共振的基本原理，实验现象，实验方法。

2．测量DPPH 样品电子的g 因子及共振线宽。

【实验原理】1．由物理学理论可知电子自旋角动量值应为h S S p s )1(+=，S 是自旋量子数。

由于电子带负电，所以其自旋磁矩应是平行于角动量的。

当它处于稳恒磁场中时，将获得12+S 个可能取向。

或者说，磁场的作用将电子能级劈裂成12+S 个次能级，简言之两相邻次级间的能量差为：0B g E B e ⋅⋅=∆μ (1)如果在电子所在的稳恒磁场区再迭加一个同稳恒磁场垂直的交变磁场1B ，而它的频率f 又恰好调整到使一个量子的能量0f h ⋅刚好等于E ∆ 即：00B g f h B e ⋅⋅=⋅μ则两邻近能级间就有跃迁，即发生E 、S 、R 现象则：00B hg f B e μ⋅= (2) 或 00B h g B e μω⋅=(2)式中 34106262.6-⨯=h J S ⋅ --- 普朗克常数24108024.9-⨯=B μ J 1-⋅T --- 波尔磁子 21=S 时 0023.2=e g 则 8024.20=f 0B (3)(3)式中0f 的单位是MHz ，0B 单位GS 。

实验7-2 微波电子自旋共振谭晓宇·1010177·物理学·光学一、实验背景电子微波共振也称电子顺磁共振（EPR ，Electron Paramagnetic Resonance ），其工作机理与核磁共振是相同的。

当原子、分子或离子中所有电子的自旋磁矩与轨道磁矩的总和不为零时，外界磁场便会引起它发生能级分裂。

基于这种能级分裂，我们便可以观察到顺磁共振的现象。

能产生顺磁共振的物质大致有这样几类：过渡族元素的离子、金属中的导电电子、半导体中的杂志原子、自由基。

通过对这些物质EPR 谱的观测，可以获得他们的g 因子，线宽，弛豫时间，超精细结构参数等，可以了解有关原子、分子及离子中未偶电子的状态，从而获得有关物质的微观结构。

现EPR 谱已广泛应用于物理、化学、医学、生物、考古、石油、地质等领域。

EPR 谱仪具有很高的灵敏度和分辨率，可提供物质结构的丰富信息，是一项先进的无损伤探测技术。

二、实验原理原子中，电子的磁矩为： B j j j g P P μμγ=-=式中，B μ为玻尔磁子，γ为旋磁比：Bg μγ=-当自旋粒子处于磁场中时，空间量子化。

取外磁场方向为Z 轴方向，则电子的磁矩在外磁场方向的投影为：Z m μγ=，m= j , j-1 , ……, -j+1, -j设外磁场的强度为B ，则电子在磁场中具有的磁能为：j Z B E B B mg B μμμ=-⋅==-每个m 都对应了一个能级，相邻能级之间的能量差为：B E g B h μν∆==式中，v 为垂直于B 的交变磁场B1的频率。

在B1的作用下，当v=v0, B=B0 时，电子将会在相邻能级之间发生偶极跃迁，即发生电子自旋共振，其条件可以表示为：00B v g B μ= 如果能够测得v ₒ和B ₒ，便能据此求出该种物质中电子的朗德因子g.三、实验内容及步骤我们使用的实验装置如下图所示：1、在系统开启之前，将可变衰减器旋钮顺时针旋至最大（以防系统开启时受到功率过高的微波影响，损耗仪器），再开启系统的电源，使其预热20分钟左右（使系统内的各个器件达到微波工作状态，从而更灵敏）。

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em 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：ZB 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。

电子顺磁共振实验报告【实验简介】电子顺磁共振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。

又因为电子顺磁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，所以电子顺磁共振谱仪被广泛应用于物理、化学、生物和医学生命领域。

【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） 根据力学原理M dtL d =，可以得到： B dtd ⨯⋅=μγμ； （3） 考虑到弛豫作用其分量式为：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧--=--=--=122)()()(T B B dt d T B B dtd T B B dt d z x y y x z y z x x z y x y z z y x μμμγμμμμγμμμμγμ （4） 其稳态解为：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⋅⋅⋅+⋅-⋅+⋅⋅=''⋅⋅⋅+⋅-⋅+-⋅⋅⋅='21212222011212122220021)(1)(1)(T T B T B T B T T B T B B T B Z Z Z γωγγχγωγωγγχ （5） 如图1所示：实验中，通过示波器可以观察到共振信号，李萨如图形及色散图，又因为共振信号发生的条件为B ⋅=γω，所以知道磁场及共振频率，就可以求出旋磁比，进而由：e m e g 2⋅-=γ （6） 可以求出朗德g 因子。

电子顺磁共振实验【目的要求】1．测定DPPH 中电子的g 因数；2．测定共振线宽, 确定弛豫时间T2；3．掌握电子自旋试验仪的原理及使用。

【仪器用具】电子自旋试验仪。

【原 理】电子自旋的概念首先由 Pauli 于1924年提出。

1925年 S. A. Goudsmit 与 G . Uhlenbeek 利用这个概念解释某些光谱的精细结构。

近代观测核自旋共振技术, 由 Stanford 大学的 Bloch 与Harvrd 大学的Pound 同时于1946年独立设计制作, 遂后用它去观察电子自旋。

本实验的目的是观察电子自旋共振现象, 测量DPPH 中电子的g 因数及共振线宽。

一. 电子的轨道磁矩与自旋磁矩由原子物理可知, 对于原子中电子的轨道运动,与它相应的轨道磁矩 为2l l ee p m μ=- （2－1） 式中 为电子轨道运动的角动量, e 为电子电荷, 为电子质量, 负号表示由于电子带负电, 其轨道磁矩方向与轨道角动量的方向相反, 其数值大小分别为 ,原子中电子除轨道运动外还存在自旋运动。

根据狄拉克提出的电子的相对论性波动方程——狄拉克方程, 电子自旋运动的量子数S ＝ l ／2, 自旋运动角动量 与自旋磁矩 之s s ee p m μ=- （2－2） 其数值大小分别为,比较式（2－2）和（2—1）可知, 自旋运动电子磁矩与角动量之间的比值是轨道运动磁矩与角动量之间的比值的二倍。

原子中电子的轨道磁矩与自旋磁矩合成原子的总磁矩。

对于单电子的原子, 总磁矩 与角动量 之间有2j ee j g p m μ=- （2－3） 其中 (1)(1)(1)12(1)j j l l s s g j j +-+++=++ （2－4） g 称为朗德g 因数。

由式（2－4）可知, 对于单纯轨道运动g 因数等于1；对于单纯自旋运动g 因数等于2。

引入回磁比 , 即j j p μγ= （2－5）其中em e g 2⋅-=γ （2－6） 在外磁场中, 和 的空间取向都是量子化的。

四、实验内容和操作步骤1.连线方法：1)通过连接线将主机上的扫描输出端接到磁铁的一端2)将主机上的直流输出端连接在磁铁的另一端3)通过Q9连接线将检波器的输出连到示波器上2.微波系统的连接：1)将微波源上的连接线连到主机后面板上的5芯插座上2)将微波源与隔离器相接（按箭头方向联接）3)将隔离器的另一端与环型器中的（I）端相连4)将扭波导与环型器中的（II）端相接5)将环型器中的（III）端与检波器相接6)将扭波导的另一端与直波导的一端连接7)将直波导的另一端与短路活塞相接其装配图如图12所示：3.仪器的操作：1）．将DPPH样品插在直波导上的小孔中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）．这时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，可以再小范围的调节短路活塞与检波器，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）端与扭波导中间，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：（已接上，自己也可以先拆下，调完信号后再接上）1－微波源2－隔离器3－环型器 4 －扭波导5－直波导6—样品 7—短路活塞 8—检波器图124.进一步调节短路活塞至在示波器中出现的吸收波形达到最清晰程度，用特斯）。

拉计测出共振时磁场的大小（B5.在图12所示的3和4之间接上“阻抗匹配器”后接上“H-T接头”，在该接头以此接上“频率计、可变衰减器、波导探头，波导探头接到数字功率计”，利用频率计为谐振腔的原理调节频率计，找到信号输出至最小值所对应的频率值，该值即为信号源的频率f。

6.利用所得实验数据，测定DPPH中电子的g因数。