[ESR实验.doc

电子自旋共振 电子自旋共振(Electron Spin Resonance，缩写为ESR)，又称顺磁共振(Paramagnetic Resonance)是：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。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。 ESR已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也是一种重要的控物理实验技术。 实验目的：1、学习电子自旋共振的基本原理和实验方法； 2、观察并研究电子自旋共振现象，测量DPPH中电子的朗德因子g； 实验重点：电子自旋共振原理的掌握 实验难点：频率为9370Hz的微波的调节和驻波的调节 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各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PJ总角动量之间满足如下关系： μB μJ= - g ―― PJ = γPJ, h 式中μB 为玻尔磁子，h为约化普朗克常量，由上式得知，回磁比 μB γ = - g ―― （9.3.1） h 按照量子理论，电子的L-S耦合结果，朗德因子 J(J+1)+S(S+1)-L(L+1) g = 1+ ――――――――――― （9.3.2） 2J(J+1) 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=L），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的数值便可判断电子运动的影响，从而有助于了解原子的结构。 将原子磁矩不为零的顺磁物质置于外磁场B0中，则原子磁矩与外磁场相互作用能由式（9.0.10）决定，那么，相邻磁能级之间的能量差 △E=γhB0 （9.3.3） 如果垂直于外磁场B0的方向上施加一幅值很小的交变磁场2 B1cosωt，当交变磁场的角频率ω满足共振条件 hω=△E=γhB0 （9.3.4） 时，则原子在相邻磁能级之间发生共振跃迁。这种现象称为电子自旋共振，又叫顺磁共振。在顺磁物质中，由于电子受到原子外部电荷的作用，使电子轨道平面发生旋进，电子的轨道角动量量子数L的平均值为0，当作一级近似时，可以认为电子轨道角动量近似为零，因此顺磁物质中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。 由9.3.1和9.3.4两式可解出g因子： g=hf0/μBB0 （式中f0为共振频率，h为普朗克常数） 本实验的样品为DPPH(Di-Phehcryl Picryl Hydrazal)，化学名称是二苯基苦酸基联氨，其分子结构式为（C6H5）2、可调的矩形谐振腔。可调的矩形谐振腔结构如图9.3.5所示，它既为样品提供线偏振磁场， 同时又将样品吸收偏振磁场能量的信息传递出去。谐振腔的末端是可移动的活塞，调节其位置，可以改变谐振腔的长度，腔长可以从带游标的刻度连杆读出。为了保证样品处于微波磁场最强处，在谐振腔宽边正中央开了一条窄槽，通过机械传动装置可以使样品处于谐振腔中的任何位置，样品在谐振腔中的位置可以从窄边上的刻度直接读出。该图还画出了矩形谐振腔谐振时微波磁力线的分布示意图。 3、魔T。魔T的作用是分离信号，并使微波系统组成微波桥路，其结构如图9.3.6所示。按照其接头的工作特性，当微波从任一臂输入时，都进入相邻两臂，而不进入相对臂。 4、配器。单螺调配器是在波导宽边上开窄槽，槽中插入一个深度和位置都可以调节的金属探针，当改变探针穿伸到波导内的深度和位置时，可以改变此臂反射波的幅值和相位，该元件的结构示意图如图9.3.7所示。 实验内容： 1、按图一所示连接系统，将可变衰减器顺时针旋至最大，