微波段电子自旋共振 实验报告

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1、微波段电子自旋共振引言电子自旋共振(ElectronSpinResonance，简称ESR)也称电子顺磁共振(ElectronParamagneticResonance)，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

2、线宽并测出DPPH的共振频率fs，算出共振磁场Bs，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

3、，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μ和自旋磁矩m的关系是μ=μ0m。其自旋磁偶极矩与角动量之比称为旋磁比γ，其表达式为γ=μ0ge2me,因此，电子自旋磁偶极矩沿磁场

4、H方向的分量应该写为μZ=-γℏms=-gμ0e2meℏms=-gμBms,式中ms为电子自旋角动量的z分量量子数,μB为玻尔磁子。由于自旋角动量取向的空间量子化，必将导致磁矩体系能级的空间量子化。即得一组在磁场中电子自旋此举的能量值为E=gμBHms这说明塞曼能级间的裂距gμBH是随磁场强度线性增大的，如下图所示。11/111.电子自旋磁偶极矩μ在磁场H中的运动电子自旋磁矩绕磁场H的进动方程为dμdt=-γμ×H上式的解为μx=acosω0t，μy=asinω0t，μz=constant式中ω0=γH0上式表征了磁偶极矩μ与磁场H0保持一定的角度绕z轴做Larmo

5、r进动，其进动的角频率为ω0=γH0。如下图所示如果在垂直于恒定磁场H的平面内加进一个旋转磁场h，若此旋转磁场的旋转方向和进动方向相同，当h的旋转角频率ω=ω0时，μ和h保持相对静止。于是μ也将受到一个力矩的作用，绕h做进动，结果是μ与H0之间的夹角增大，说明例子吸收了来自旋转磁场h的势能，这就发生了电子顺磁共振现象，共振条件：ω0=ω=γH0=gμBℏH0hυ=gμBH02.电子自旋的量子力学描述自旋为Ｓ的电子μe＝-gμBSΔE=gμBHhυ=ΔE=gμBHg=2时，计算得υ=9.51GHz3.弛豫过程、线宽共振吸收的另一个必要条件是在平衡态下，低能态E1的粒子

6、数N1比高能态E2的粒子数N2多，这样才能显示出宏观（总体）共振吸收。即由低能态向高能态跃迁的粒子数目比由高能态跃迁向低能态的数目多，这个条件是满足的，因为平衡时粒子数分布服从玻尔兹曼分布：11/11N1N2=exp⁡(-E2-E1kT)假定E1>E2显然N1

7、能态的电子自旋有机会把它的能量传递出去而回到低能态，这个过程称为弛豫过程，正是弛豫作用的存在才维持着连续不断的磁共振吸收效应。弛豫过程导致粒子处在每个能级上的寿命δT缩短，而量子力学中的“测不准关系”指出δT×δE=constant亦即δT的减少会导致δE的增加，δE表示该能级的宽度，即这个能量的不准范国，如下图能级的阴影宽度所示。这样对于确定的微波频频率能够引起共振吸收的磁场强度B的数值便允许有—个范围△B，即共振吸收线有一定的宽度又称谱线半高宽度，简称线宽（下图）．驰豫过程越快，△B越宽，因此线宽可以作为驰豫强弱的度量。现在定义一个物理量一驰豫时间T，即令△