近代物理实验微波电子自旋共振(7-2)课件
近代物理实验 电子自旋共振
深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验
实验名称：电子自旋共振
学院：
专业：班级：
组号：指导教师：
报告人：学号：
实验地点
实验时间：年日星期二
实验报告提交时间：
五、数据处理
每组正向测厚反向高斯计总共测两次
自旋磁矩朗德因子g=
B hf
B =2.08 六、实验总结
1、实验测得电子自旋的朗德因子俄日2.08，偏大可能与仪器工作不算稳定和在观察共振波形上有点误差。
2实验验证了电子自旋共振：电子收到原子外部电荷的作用使得电子轨道发生旋进，角动量量子数L 平均为0 ,样品DPPH 为顺磁物质，其磁矩主要由电子自旋贡献。
使得我们能得以观察电子共振现象。
微波电子自旋共振试验
g =2
DPPH的g因子标准值 2.0036
微波技术
1、微波 TE10模式的电场的电场和磁场分量示意
截止频率
波导传输波长 m=1 n=0 a=23mm b=10mm
3、波导管尺寸
微波技术
y
-z
b a
m=1 n=0 a=23mm b=10mm
x
截止频率
9.522GHz
电子自旋共振
1、能级分裂
电子自旋受外磁场影响能级分裂，分裂能极差与磁场成正比
电子自旋共振
2、共振条件
电磁波量子化地每一份能量等于分裂能级差
电子自旋共振
3、朗德g因子
量子理论中电子轨道角动量和自旋角动量（L-S）耦合结果
电子自旋共振
4、标准样品DPPH
一个未配对“自由电子”，轨道角动量完全猝灭
L=0 S=J
3、微波共振吸收条件 三峰等间距
二峰合一
吸收曲线
4、DPPH的朗德g因子计算 调节磁场得到三峰等间距信号，通过高斯计测量磁感应 强度
计算得
5、吸收曲线线型
吸收曲线
竖直虚线左边的一次微分曲线，峰值右边近似直线的斜率kB与左边的斜 率kA，如果相比等于2.2，则吸收曲线为高斯型，如果相比等于4，则吸收 曲线为洛伦兹型
波导传输波长 40.7mm
实验所用微波频率为
f=9.866GHz
实验仪器
FD-ESR-C型微波电子自旋共振实验仪，双踪示波器
吸收曲线
1、微波共振吸收条件
方向垂直于波导宽边的纵向外界磁场（即水平方向）由永磁铁磁场 B0和正弦扫描磁场 Bsinωt 相加提供
吸收曲线
2、示波器显示的吸收信号
吸收曲线
所以
高斯型
Thank you
微波电子自旋共振
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。
电子自旋共振 经典讲座共26页文档
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
电子顺磁共振 优质课件
微波源 检波器
系
主机
统
连
线
图
电磁铁
CH2
示波器
DPPH顺磁共振谱线的观测
1、将装有DPPH样品的试管放入微波系统的样品插孔中 ；
2、按照系统电路连接图连接系统个组成部分之间的通信电缆和 电源线。
3、打开电源开关，调节短路活塞，直流输出，调出共振吸收波 形。
4、调节直流调节电位器，使得共振吸收信号等间距。
g / BB
由原子物理可知：
原子磁矩完全由电子自旋磁矩贡献：g=2 原子磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献：g=1 通过g因子的测量可以判断电子运动的情况，进而可以 得知关于原子结构的信息。
实现共振的方法
为满足共振条件 E B 可采用两种方法：扫场 法、扫频法，本实验采用扫场法。 微波源频率固定(9.37GHz)，连续改变外磁场的磁感应 强度，当满足共振条件时发生电子自旋共振。
微波电源
直流输出 扫描输出
微波源
检波器
系
主机
统
连
线
图
电磁铁
锁相放大器
电流输出 调制输出 IN
吸收曲线实验结果（一次微分信号）
六、注意事项
由于仪器的样品是使用玻璃管封装，故在放置样品的时 候，要谨防玻璃管折断后破碎。
本实验在操作的过程中，要严格按照说明书上说明的操 作步骤去做实验，实验中的每一步都需要细心地完成。
6、谐振腔：
A
谐振腔耦合膜片 样品
B 可变短路调节器
通过调节可变短路调节器的位置，使微波在谐振腔内形成 驻波，得到最强的电子顺磁共振信号。
FD-TX-ESR-I 电子顺磁共振仪
电源
直流调节
《电子自旋共振》PPT课件
O2N
.
NN
NO2
O2N验仪器
扫描线圈
5
电磁铁
3 2
1
4
6
FD-ESR-II电子顺磁共振仪构成图
精选课件ppt
1继7 续
1、微波源：
变容二极管
体效应管
频率调节
电源输入端+12V
微波源由体效应管、变容二极管、频率调节组成。 用于输出频率为9.37GHz的微波。
9.37G微波辐射
精选课件ppt
12
扫场法检测共振信号
B=B0+B’sinωt
通过调节励磁线圈的直流电流，改变恒定磁场的大小，当恒定
磁场B0＝2 ν/γ时，共振吸收信号等间距排列。此时对应的恒定 磁感应强度即为共振条件方程中所对应的磁场强度。利用特斯
拉计测量该磁感应强度代入共精选振课件方ppt程可得g因子的值。
精选课件ppt
22
5、阻抗调配器
吸收曲线 色散曲线
它的主要作用是改变微波系统的负载状态。在本实验中主要作 用是观察吸收、色散信号。
精选课件ppt
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6、谐振腔：
A
谐振腔耦合膜片 样品
B可变短路调节器
通过调节可变短路调节器的位置，使微波在谐振腔内形成 驻波，得到最强的电子顺磁共振信号。
Yevgeny 精Z选a课v件oipsptky (1917-1976)
5
一、背景介绍 －－应用
电子自旋共振研究的对象是具有未偶（未配对）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、材料、生物、医学等领域有广泛的应用。
微波法测电子自旋共振实验
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级： 姓名： 同组者： 教师：实验7-2 微波法测电子自旋共振实验【实验目的】1、 了解电子自旋共振理论2、 掌握电子自旋共振的实验方法3、 测定DPPH 自由基中电子的g 因子和共振线宽【实验原理】1、电子自旋共振基础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 S μμμ （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 e e2=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 S γμμ21±==⋅= （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。
电子自旋共振
实验简介1924年，泡利（Pauli）首先提出电子自旋的概念。
1954年开始，电子自旋共振（ESR）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何化学键的信息，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。
本实验要求观察电子自旋共振现象，观察顺磁离子对共振信号的影响，测量DPPH中电子的g因子，并利用电子自旋共振测量地球磁场的垂直份量。
实验原理⏹电子的自旋磁矩●电子具有自旋，由量子力学可知，其自旋角动量（1）式中S为自旋量子数，S=1 / 2。
自旋时电子具有自旋磁矩，自旋磁矩为（2）其中g为朗德因子，对自由电子，g＝2.00232，e为电子电荷，m为电子质量，为波尔磁子，，其值为。
⏹外磁场中电子的自旋能级●若电子处于外磁场B（沿z方向）中，由于B与自旋磁矩的作用，其自旋角动量将对z轴发生进动，据量子力学的观点，在空间的取向是量子化的，在z方向的投影为（3）m为磁量子数，m＝S，S-1，…，－S，故m可取值为，磁矩与外磁场B的相互作用能为（4）在外磁场中，电子自旋能级分裂为两个，如图4.4.1－1，其能量差为（5）对由大量原子组成的样品，在热平衡下，处在和能级的电子数满足玻尔兹曼分布，两个能级上的电子数、的比值为（6）k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，，一般满足高温近似，即，上式可写成（7）显然，外加磁场越强，温度越低，两个能级上的粒子数差越大。
⏹电子自旋共振●若在垂直于外磁场B的平面上施加一频率为的旋转磁场，当满足（1）时，电子吸收的能量，从低能级跃迁到高能级，这就是电子自旋共振。
当然处于高能级的电子会自发地辐射能量跃迁回低能级。