电子顺磁共振的基本原理及其应用

顺磁共振原理顺磁共振（MRI）是一种利用核磁共振现象对人体进行成像的技术。

它是一种无创的检查方法，具有较高的分辨率和对软组织的良好显示效果，因此在临床诊断中得到了广泛的应用。

顺磁共振成像的原理是基于核磁共振现象，通过对人体组织中的氢原子进行激发和检测，得到组织的信号强度和分布情况，从而形成图像。

核磁共振现象是指在外加磁场的作用下，原子核在吸收或发射特定频率的电磁波时会发生共振现象。

在MRI中，主要利用水分子中的氢原子核进行成像。

当人体置于强磁场中时，水分子中的氢原子核会受到外加磁场的影响，从而产生共振现象。

通过改变外加磁场的方向和大小，可以对氢原子核进行激发和检测，得到组织的信号。

顺磁共振成像的过程主要包括激发和检测两个步骤。

在激发步骤中，利用射频脉冲对样品中的氢原子核进行激发，使其处于高能级状态。

在检测步骤中，利用梯度磁场对激发后的氢原子核进行检测，得到信号并进行处理，最终形成图像。

这一过程需要精密的控制和调节，以确保成像的准确性和清晰度。

顺磁共振成像的原理基础是核磁共振现象，而其成像效果受到多种因素的影响。

首先是外加磁场的强度和均匀性，强磁场的均匀性对成像的空间分辨率和信噪比有重要影响。

其次是射频脉冲的频率和幅度，这直接影响了激发和检测的效果。

此外，梯度磁场的强度和方向也对成像的分辨率和对比度有影响。

因此，顺磁共振成像需要精密的仪器设备和严格的操作流程，以确保成像的质量和准确性。

顺磁共振成像技术的发展为临床诊断提供了重要的工具，特别是在神经科学、心血管疾病和肿瘤诊断方面具有重要应用。

通过对组织器官的高清成像，可以及早发现疾病的变化，为临床诊断和治疗提供重要信息。

同时，顺磁共振成像也在科学研究和医学教育中发挥了重要作用，为人们对人体结构和功能的认识提供了新的途径。

总之，顺磁共振成像是一种基于核磁共振现象的成像技术，具有高分辨率和对软组织的良好显示效果。

其原理基础是核磁共振现象，通过对氢原子核的激发和检测，得到组织的信号并形成图像。

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=。

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。

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。

电子自旋共振技术综述电子自旋共振，ESR （Electron Spin Resonance ），又称电子顺磁共振，EPR （Electron Paramagnetic Resonance ）发现于1944年，是一种通过检测未成对电子的顺磁性，研究顺磁性物质结构的波普检测技术。

七十年代随着ESR 技术和计算机的发展，ESR 技术取得多种突破，不但提高了检测谱线的灵敏度和分辨率, 还能用于了解顺磁体系的动态性能，使ESR 技术在这在考古学、地质学、结构化学、生物化学和固体物理、医药学、等多个领域均有广泛运用。

一、 基本原理物质中充满了电子，电子带负电，绕原子核做圆周运动，同时做自旋运动。

运动的电子产生环形电流，从而产生微小的磁场。

绝大多数电子是成对出现的，他们轨道相同自旋方向相反，因而产生的磁场互相抵消，总电磁率为零，在外加电场的作用下，形成与外磁场方向相反方向的磁场排列，称抗磁性物质。

在辐射作用下（包括天然本地照射），一些物质（如晶体）可被电离，形成自由电子－空穴对（空穴带一个单位正电荷）。

自由电子在运动中损失能量，最终被晶格或杂质捕获，形成陷阱电子（一个单位负电荷）。

这种为成对的陷阱电子或空穴，形成一个微小磁场，他们在外磁场作用下自身磁场有两种取向：电子自身磁场与外磁场相反为低能态，相同为高能态；两种能量状态能极差为E ＝gμB （g 为电子、空穴特性因子，μ为波尔磁矩，B 为外磁场强度），顺磁性物质在外加强磁场下能级分裂现象称为塞曼分裂。

外磁场B 方向 电子磁场方向 电子磁场方向 低能态 高能态此时，若在垂直磁场方向上加一个微波，则当微波频率v 满足hv＝E＝gβB微波吸收谱一次微分谱（h为普朗克常数）时，低能态未配对电子将吸收微波能量从而跃迁到高能态，即发生电子顺次共振吸收现象，形成吸收峰。

为使hv＝E＝gμB等式成立，有两种方法：扫场法（改变磁场强度B）和扫频法（改变微波频率v）。

二、扫场ESR仪器组成ESR波普仪主要包括以下五大部分：1、微波系统；2、磁场系统；3、谐振腔；4、检波器；5、数据系统。

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。

顺磁共振电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance 简称EPR ）或称电子自旋共振（Electron Spin Resonance 简称ESR ）是探测物质中未耦电子以及它们与周围原子相互作用的非常重要的现代分析方法，它具有很高的灵敏度和分辨率，并且具有在测量过程中不破坏样品结构的优点。

自从1944年物理学家扎伏伊斯基（Zavoisky ）发现电子顺磁共振现象至今已有五十多年的历史，在半个多世纪中，EPR 理论、实验技术、仪器结构性能等方面都有了很大的发展，尤其是电子计算机技术和固体器件的使用，使EPR 谱仪的灵敏度、分辨率均有了数量级的提高，从而进一步拓展了EPR 的研究和应用范围。

这一现代分析方法在物理学、化学、生物学、医学、生命科学、材料学、地矿学和年代学等领域内获得了越来越广泛的应用。

本实验的目的是在了解电子自旋共振原理的基础上，学习用射频或微波频段检测电子自旋共振信号的检测方法，并测定DPPH 中电子的g 因子和共振线宽。

一 实验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个电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。

在本单元的基础知识中已经谈到，原子的总磁矩μJ 与P J 总角动量之间满足如下关系：J J BJ P P g γμμ=-= （1－6－1） 式中μB 为波尔磁子，ћ为约化普朗克常量。

由上式可知，回磁比Bg μγ-= （1－6－2） 按照量子理论，电子的L －S 耦合结果，朗得因子)1(2)1()1()1(1++-++++=J J L L S S J J g （1－6－3） 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。

反之，若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献（S=0，J=1），则g ＝1。

若自旋和轨道磁矩两者都有贡献，则g 的值介乎1与2之间。

因此，精确测定g 的值便可判断电子运动的影响，从而有助于了解原子的结构。

福州大学化学学院高级物理化学实验电子顺磁共振的基本 原理和应用The Basic Principle and Applications of Electron Paramagnetic Resonance 张子重 z.zhang@名称电子顺磁共振(EPR) （Electron Paramagnetic Resonance) 电子自旋共振(ESR) (Electron Spin Resonance) 电子磁共振(EMR) (Electron Magnetic Resonance)EPR的基本原理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。

只有含有未成对电子的物质（顺磁性），才适合作 EPR的研究。

Random OrientationNet Magnetisation with Magnetic FieldMacroscopic vs. Microscopic WorldElectron Spin in a Magnetic FieldOne ElectronB0Magnetic FieldEα=1/2gβH能级差为： △E = gβHEβ=−1/2gβHMagnetic field strength (H)Zeeman分裂Magnetic Field B0Frequency Frequency∝ ∝Magnetic MagneticField Field若在垂直稳恒磁场方向加一频率为υ的电磁辐射场，且满足条件： E = hν = gβH 则处在低能态的电子将吸收电磁辐射能量而跃入高能量状态，即 发生受激跃迁，这就是EPR现象。

hυ = gβH 称为实现EPR所应满足的共振条件h—Planck常数，β—为Bohr磁子，g —朗德因子; 在自由基体系中(若g=2)施加磁场H=3500 Gs，可以计算出电磁 辐射场的频率为υ＝9.79 GHz，该频率属于微波频率范围。