实验7-2微波电子自旋共振

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级：应用物理学09-2班 姓名：王国强 同组者：庄显丽 教师：电子自旋共振（射频）一、基础知识原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋，其自旋角动量为() 1+=S S p S （7-2-1）其中S 是电子自旋量子数，2/1=S 。

电子的自旋角动量S p 与自旋磁矩S μ间的关系为()⎪⎩⎪⎨⎧+=-=12S S g p m e g B SS e Sμμμ（7-2-2） 其中：e m 为电子质量；eB m e 2=μ，称为玻尔磁子；g 为电子的朗德因子，具体表示为 )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g （7-2-3）J 和L 为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数，S L J ±=。

对于单电子原子，原子的角动量和磁矩由单个电子决定；对于多电子原子，原子的角动量和磁矩由价电子决定。

含有单电子或未偶电子的原子处于基态时，L=0，J=S=1/2，即原子的角动量和磁矩等价于单个电子的自旋角动量和自旋磁矩。

设g m ee2=γ为电子的旋磁比，则 S S p γμ= （7-2-4）电子自旋磁矩在外磁场B （z 轴方向）的作用下，会发生进动，进动角频率ω为B γω= （7-2-5） 由于电子的自旋角动量S p 的空间取向是量子化的，在z 方向上只能取m p z S = （S S S S m -+--=,1,,1, ）m 表示电子的磁量子数，由于S =1/2，所以m 可取±1/2。

电子的磁矩与外磁场B 的相互作用能为B B B E z S Sγμμ21±==⋅= （7-2-6）相邻塞曼能级间的能量差为B g B E B μγω===∆ （7-2-7）如果在垂直于B 的平面内加横向电磁波，并且横向电磁波的量子能量 ω正好与△E 相等时，即满足电子自旋共振条件时，则电子将吸收此旋转磁场的能量，实现能级间的跃迁，即发生电子自旋共振。

微波段电子自旋共振实验仪一、概述电子自旋共振(Electron Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(缩写为EPR,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。

由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪是用来完成微波段电子自旋共振实验教学的近代物理实验仪器，它主要用来测量DPPH样品的ESR吸收谱线，测量g因子，并分析微波系统的特性。

该仪器测量准确、稳定可靠、实验内容丰富，可以用于物理高年级学生专业实验以及近代物理实验。

二、仪器简介FD-ESR-C型微波电子自旋共振实验仪主要由三部分组成：磁铁系统、微波系统、实验主机系统，如图1所示，另外实验时必须配有双踪示波器（选购件）。

图1 FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪三、技术指标1．短路活塞调节范围 0－65mm2．样品管外径 4.8mm3．微波频率计测量范围 8.2GHz-12.4GHz 分辨率 0.005GHz4．数字式高斯计测量范围 0－2T 分辨率 0.0001T5．波导规格：BJ-100(波导内尺寸：22.86mm×10.16mm)四、实验项目1. 了解和掌握各个微波波导器件的功能和调节方法。

微波段电子自旋共振引言电子自旋共振(Electron Spin Resonance，简称ESR)也称电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance)，是1944年由扎伏伊斯基首先观测到的，它是磁共振波谱学的一个分支。

在探索物质中未耦合电子以及它们与周围原子相互作用方面，顺磁共振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。

目前它在化学，物理，生物和医学等领域都获得了广泛的应用。

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。

实验原理电子自旋共振研究的对象是有未偶电子（即未成对电子）的物质，如具有奇数个电子的原子和分子，内电子壳层未被填满的原子和离子，受辐射或化学反应生成的自由基以及固体缺陷中的色心和半导体、金属等。

通过对物质的自旋共振谱的研究，可以了解有关原子，分子及离子中未偶电子的状态及周围环境方面的信息，从而获得有关物质结构的知识。

例如对固体色心的自旋共振的研究，从谱线的形状、线宽及g银子，可以估算出缺陷的密度，了解缺陷的种类，缺陷上电子与电子的相互作用，电子与晶格的相互作用的性质等。

电子自旋共振可以研究电子磁矩与外磁场的相互作用，通常发生在波谱中的微波波段，而核磁共振（NMR）一般发生在射频范围。

在外磁场的作用下的能级发生分裂，通常认为是塞曼效应所引起的。

因此可以说ESR是研究电子塞曼能级间的直接跃迁，而NMR则是研究原子和塞曼能级间的跃迁。

也就是说，ESR和NMR是分别研究电子自旋磁矩和核磁矩在外磁场中磁化动力学行为。

1.电子自旋磁偶极矩电子自旋磁偶极矩和自旋磁矩m的关系是其自旋磁偶极矩与角动量之比称为旋磁比其表达式为因此，电子自旋磁偶极矩沿磁场H方向的分量应该写为式中为电子自旋角动量的z分量量子数,为玻尔磁子。

微波电子自旋共振实验的研究研究电子自旋共振实验仪在不同频率、样品位置情况下样品DPPH的电子自旋共振信号，通过测量电子自旋共振吸收信号强度和半高宽，记录并分析这些改变带来的共振吸收信号的变化。

标签：电子自旋共振；频率；样品位置；半高宽电子自旋共振技术是一項检测具有未成对电子样品的波谱方法，它能获得有意义的物质结构信息和动态信息，在物理学、化学、生物学、生物化学、医学、环境科学等许多领域得到广泛应用。

电子自旋共振技术最初是物理学家用来研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、原子偶极矩及分子结构等问题[1]。

通过测量样品的未成对电子的朗德因子和电子自旋共振波谱可以获得所测试元素原子所处的环境及电子状态。

文章将深入研究电子自旋共振实验，改变微波源的频率、样品的位置，来测量这些改变带来的影响。

1 实验原理与方法1.1 实验原理1.2 实验方法（1）准备工作。

先开启测量系统中各仪器的电源，预热15分钟。

固体信号源处于等幅工作状态，将磁场逆时针调到最低，扫场逆时针调到最低，处在检波状态，将样品置于90mm处。

将单螺调配器的探针逆时针旋至“0”刻度，信号源工作于等幅工作状态，调节可变衰减器使调谐电表有指示，然后将“检波灵敏度”旋钮指示最大控制磁共振实验仪的调谐指示占满度的2/3左右。

用波长表法[2]测定微波信号的频率。

调节样品谐振腔末端的终端活塞，使检波电流处于极小值，此时样品样品谐振腔谐振，调节单螺调配器使魔T的2臂和3臂的负载接近对称，检波电流接近于零，加上扫场并调节稳恒磁场，观察示波器上DPPH自由基的电子共振信号[3]。

（2）改变微波源频率。

调节微波信号源频率，将样品置于90mm处，共用波长表法测量10组不同频率微波信号，当魔T两端对称时，检波电流接近于零，加上扫场并调节稳恒磁场观察电子共振信号，分别用数字示波器光标法测量信号强度和半高宽[4]。

（3）改变样品位置。

调节微波频率为9370MHZ，改变样品位置，分别从76mm-98mm每间隔2mm移动样品，相应地调节魔T两端对称后，检波电流接近于零，加上扫场并调节稳恒磁场观察电子共振信号，用数字示波器测量信号强度和半高宽。

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 le 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jμ与总角动量jP 之间有j j e e gP 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 eP e gm μγγ==-在外磁场中jP 和jμ都是量子化的，因此jP 在外磁场方向上投影为()(),1,,1,2π==----z mhP m j j j j相应的磁矩jμ在外磁场方向上的投影为()(),1,,1,2γμπ==----z mhm j j j j由以上公式可得4z Bemgehmg m μμπ=-=-4B e ehm 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jμ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 mhBE 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20hB 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自旋提供的就是“电子自旋共振”。

因此，电子自旋共振条件是光子的圆频率满足B ωγ=3. 电子自旋共振研究的对象如果分子中的原子所有的电子轨道都已成对填满了电子，自旋磁矩为0，没有固有磁矩，不会发生电子自旋共振。

微波段电子自旋共振引言电子自旋共振(Electron Spin Resonance，简称ESR)也称电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance)，是1944年由扎伏伊斯基首先观测到的，它是磁共振波谱学的一个分支。

在探索物质中未耦合电子以及它们和周围原子相互作用方面，顺磁共振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。

目前它在化学，物理，生物和医学等领域都获得了广泛的使用。

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，和特斯拉计测量的磁场对比。

3.了解、掌握微波仪器和器件的使用。

4.学习利用锁相放大器进行小信号测量的方法。

实验原理电子自旋共振研究的对象是有未偶电子（即未成对电子）的物质，如具有奇数个电子的原子和分子，内电子壳层未被填满的原子和离子，受辐射或化学反应生成的自由基以及固体缺陷中的色心和半导体、金属等。

通过对物质的自旋共振谱的研究，可以了解有关原子，分子及离子中未偶电子的状态及周围环境方面的信息，从而获得有关物质结构的知识。

例如对固体色心的自旋共振的研究，从谱线的形状、线宽及g银子，可以估算出缺陷的密度，了解缺陷的种类，缺陷上电子和电子的相互作用，电子和晶格的相互作用的性质等。

电子自旋共振可以研究电子磁矩和外磁场的相互作用，通常发生在波谱中的微波波段，而核磁共振（NMR）一般发生在射频范围。

在外磁场的作用下的能级发生分裂，通常认为是塞曼效应所引起的。

因此可以说ESR是研究电子塞曼能级间的直接跃迁，而NMR则是研究原子和塞曼能级间的跃迁。

也就是说，ESR和NMR是分别研究电子自旋磁矩和核磁矩在外磁场中磁化动力学行为。

1.电子自旋磁偶极矩电子自旋磁偶极矩和自旋磁矩m的关系是。

其自旋磁偶极矩和角动量之比称为旋磁比，其表达式为因此，电子自旋磁偶极矩沿磁场H方向的分量应该写为式中为电子自旋角动量的z分量量子数,为玻尔磁子。

电⼦⾃旋共振实验报告微波电⼦⾃旋共振【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.Зabouchu ǔ)在实验中观察到。

⼆、实验原理1、量⼦⼒学解释电⼦具有⾃旋，其⾃旋⾓动量Pe 和⾃旋磁矩e µ的关系为：图1 ⾃旋能级在磁场中的取向e B e P h g ρρµµ-=g 为朗德因⼦，B µ为玻⽿磁⼦，其值为×1O-11MevT-1。

电子自旋共振的实验观察与分析电子自旋共振（ESR）是一种通过电磁波与物质中的未偶极共振的电子发生相互作用的方法，从而观察和分析样品中未偶极共振电子的性质。

ESR技术在化学、物理、生物等领域有着广泛的应用，特别在研究自由基和有机稳定自由基反应机理、固态物质表征、生物分子结构以及电子传输过程方面起到了重要的作用。

ESR实验主要需要使用一台ESR仪器，仪器的核心是一个集成了磁场产生系统、微波源、探测器和数据处理装置的系统。

实验中，我们通常使用一种叫做共振腔的装置来放置样品，并在样品周围产生一个均匀的磁场。

同时，微波源会产生一定频率的微波信号，通过腔体与样品中的未偶极共振电子发生共振相互作用。

当微波信号的频率与样品中未偶极共振电子的共振频率相等时，会观察到ESR信号。

这个信号的特征可以通过探测器接收到，并由数据处理装置进行处理和分析。

实验中通常需要对样品进行一系列的操作和处理。

首先，我们需要将样品放置在共振腔中，使其暴露在均匀的磁场当中。

然后，我们会调节磁场的强度，通过观察磁场与ESR信号的关系，可以确定样品中未偶极共振电子的g值。

在磁场强度达到一定范围之后，我们开始调节微波信号的频率，通过记录信号的强度和频率的关系，可以得到未偶极共振电子的超精细结构参数。

这些参数包括g因子、超精细结构常数和哈弗逊参数等，对于研究样品中电子的自旋态和电子与周围原子核之间的相互作用具有重要意义。

通过ESR实验观察和分析，我们可以获得样品中未偶极共振电子的性质和行为。

未偶极共振电子是指电子自旋与轨道角动量之间没有明显的关联性，也不受电磁辐射耦合作用的电子。

在研究自由基反应机理时，ESR可以提供自由基浓度、自由基的热力学参数和自由基反应速率常数等重要信息。

在固态物质研究领域，ESR可以用来表征样品的磁性、电子态密度和局域电子结构等信息。

在生物领域中，ESR可以对蛋白质、酶和细胞膜等生物分子的结构和功能进行研究。

总之，电子自旋共振实验是一种重要的实验方法，可以用来观察和分析样品中未偶极共振电子的性质和行为。