电子顺磁共振现象。

近代物理实验——电子顺磁共振一、引言电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance ，EPR ）是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。

对自由基而言，轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分（99%以上）的贡献来自电子自旋，所以电子顺磁共振亦称“电子自旋共振”（ESR ）。

二、实验目的1.测定DPPH 中电子的g 因数；2.测定共振线宽；3.掌握电子自旋试验仪的原理及使用三、实验原理电子除了具有质量、电荷，以及在原子中作轨道运动而具有轨道角动量、轨道磁矩以外，还存在自旋s 和自旋磁矩S μ ，在量子力学中，电子的自旋角动量为s P =，式中1/2s = 为电子自旋量子数，因为电子带电，所以它具有平行于自旋轴的磁矩，其大小为s s s P μγγ==，其中s γ 称为电子自旋运动的旋磁比。

如果电子处于磁场B 中，由于它有自旋磁矩，它就会绕外磁场方向进动。

在外磁场中，自旋磁矩只能有某些确定的取向，即S μ在外磁场方向上的投影是确定的：sz s s m μγ= ，s m 是电子的自旋磁量子数，它有21s + 个值。

因1/2s =，故s m 只能取两个值：12±。

所以自旋磁矩在外磁场中只能有两个取向。

一般情况下，原子中电子的磁矩是自旋磁矩与轨道磁矩的矢量和，为了统一描述，通常引入无量纲的朗德因子g 因子，这样电子总磁矩余总角动量之间的关系可写为2j j j j eegP P m μγ=-=- 其中j 是电子的总角动量量子数，j l s =+ ，1l s +- ，…，l s - ()()()()111121j j l l s s g j j +-+++=++2j ee gm γ= 在外磁场方向，电子磁矩的分量为2jz s s j eem m gm μγ==，,1,...,1,mj j j j j =--+- 若电子的磁矩用玻尔磁子2B eem μ=为单位来量度，于是有 jz j B m g μμ=对于电子的轨道运动0s = ，j l = 则1g = ，于是2l eem γ=；对于电子的自旋运动，j s = ，0l = ，则2g = 于是，s ee m γ=。

电子行业电子顺磁共振什么是电子顺磁共振(EPR)电子顺磁共振(EPR)，也被称为电子自旋共振，是一种重要的分析技术，广泛应用于电子行业。

它基于电子自旋与外加磁场之间的相互作用原理，用于研究物质中未成对电子的状态和环境。

EPR技术在电子行业中有着不可或缺的作用，可以用于研究材料的性质、电子结构以及电子之间的相互作用等方面。

EPR技术在电子行业中的应用1. 材料研究EPR技术在电子材料研究中有广泛的应用。

通过对材料中未成对电子的共振吸收谱进行分析，可以得到关于电子态密度、电子磁矩、自旋-晶格相互作用等物理性质的信息。

这对于电子行业中新材料的设计与开发非常重要。

例如，在磁存储材料的研究中，EPR技术可以用来研究材料中电子自旋的变化，从而改善材料的磁性能。

2. 电子器件设计EPR技术也可以应用于电子器件的设计与制造中。

通过研究电子自旋的行为和相互作用，可以对器件的电子结构进行分析，进而优化器件的性能。

例如，在半导体器件中，通过EPR技术可以研究载流子的自旋，从而提高器件的导电性能和稳定性。

3. 电子结构研究EPR技术在研究电子结构时也起到了重要的作用。

通过测量电子自旋共振信号的强度和形状，可以推断材料中未成对电子的结构信息。

这对于了解材料中电子的分布和行为有着重要意义。

例如，在太阳能电池材料的研究中，EPR技术可以用来研究材料中不同能级的电子结构，从而提高太阳能电池的效率和稳定性。

EPR技术的工作原理EPR技术基于电子自旋与外加磁场之间的相互作用原理。

当样品处于外加磁场中时，电子的自旋会在磁场的作用下发生共振吸收，产生EPR信号。

这个信号可以通过调节磁场的强度和频率来测量，进而得到样品中未成对电子的信息。

EPR技术的优势与局限性优势：•非常灵敏：EPR技术可以检测到样品中极微弱的电子共振信号，使其在分析材料中微量元素的作用、电子结构等方面有着重要作用。

•高分辨率：EPR技术在测量中具有很高的分辨率，可以准确地确定样品中未成对电子的状态和环境。

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) 。

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。

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：B J J J gP P μμγ=-= (1)式中μB 为玻尔磁子，为约化普朗克常量。

由上式可知，回磁比B gμγ=- (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，(1)(1)(1)12(1)J J S S L L g J J +++-+=++ (3) 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。

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。

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。

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。

磁共振检测磁场的方法1. 核磁共振( NMR)：通过磁共振现象，利用核自旋在外加磁场作用下的共振信号，检测样品中的磁场强度和分布。

核磁共振是一种非常常用的磁场检测方法。

通过将样品置于恒定磁场中，然后通过外加的射频脉冲，使核磁共振信号产生。

通过接收这些信号，可以获取关于样品中的磁场强度和分布的信息。

2. 电子顺磁共振( ESR)：利用电子在外加磁场下的共振现象，检测样品中的磁场强度和分布。

电子顺磁共振是一种基于电子自旋的磁场检测方法。

通过将样品置于外加磁场中，并进行射频辐射，可以观察到电子在共振条件下的吸收和发射现象。

根据这些现象，可以确定样品中的磁场强度和分布。

3. 磁扫描显像(MRI)：利用核磁共振原理，结合梯度磁场，通过扫描样品的方式，获取样品中的磁场分布三维图像。

磁共振成像是一种非常常见的医学影像技术，通过核磁共振原理和梯度磁场的结合，可以获取样品中磁场的分布和强度信息，并生成三维图像。

这种方法在医学诊断中非常重要。

4. 磁力线追踪：通过追踪磁力线，可以获得磁场的分布和强度信息。

磁力线追踪是一种非常直观的磁场检测方法。

通过跟踪磁力线的路径，并测量沿途的磁场强度，可以获取样品中磁场的分布和强度信息。

5. 滞磁法：通过测量样品在去磁场过程中残余磁场的变化，可以得到磁场的分布和强度信息。

滞磁法是一种基于磁化强度的磁场检测方法。

通过将样品置于强磁场中，然后将磁场去除，并测量在去磁过程中残余磁场的变化，可以得到样品中磁场的分布和强度信息。

6. 磁阻抗法：利用磁阻抗特性，测量样品中的磁场强度和分布。

磁阻抗法是一种基于磁场感应的磁场检测方法。

通过测量样品中磁阻抗的变化，可以获得样品中磁场的分布和强度信息。

7. 磁导率法：利用不同磁导率材料对磁场的不同响应，检测样品中的磁场强度和分布。

磁导率法是一种基于材料磁特性的磁场检测方法。

通过测量样品中不同材料对磁场的响应差异，可以得到样品中磁场的分布和强度信息。

8. 磁谐振力学( MRM)：通过挠曲或变形检测样品中的磁场强度和分布。