电子顺磁共振现象。
近代物理实验-电子顺磁共振
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=。
电子行业电子顺磁共振
电子行业电子顺磁共振什么是电子顺磁共振(EPR)电子顺磁共振(EPR)，也被称为电子自旋共振，是一种重要的分析技术，广泛应用于电子行业。
它基于电子自旋与外加磁场之间的相互作用原理，用于研究物质中未成对电子的状态和环境。
EPR技术在电子行业中有着不可或缺的作用，可以用于研究材料的性质、电子结构以及电子之间的相互作用等方面。
EPR技术在电子行业中的应用1. 材料研究EPR技术在电子材料研究中有广泛的应用。
通过对材料中未成对电子的共振吸收谱进行分析，可以得到关于电子态密度、电子磁矩、自旋-晶格相互作用等物理性质的信息。
这对于电子行业中新材料的设计与开发非常重要。
例如，在磁存储材料的研究中，EPR技术可以用来研究材料中电子自旋的变化，从而改善材料的磁性能。
2. 电子器件设计EPR技术也可以应用于电子器件的设计与制造中。
通过研究电子自旋的行为和相互作用，可以对器件的电子结构进行分析，进而优化器件的性能。
例如，在半导体器件中，通过EPR技术可以研究载流子的自旋，从而提高器件的导电性能和稳定性。
3. 电子结构研究EPR技术在研究电子结构时也起到了重要的作用。
通过测量电子自旋共振信号的强度和形状，可以推断材料中未成对电子的结构信息。
这对于了解材料中电子的分布和行为有着重要意义。
例如，在太阳能电池材料的研究中，EPR技术可以用来研究材料中不同能级的电子结构，从而提高太阳能电池的效率和稳定性。
EPR技术的工作原理EPR技术基于电子自旋与外加磁场之间的相互作用原理。
当样品处于外加磁场中时，电子的自旋会在磁场的作用下发生共振吸收，产生EPR信号。
这个信号可以通过调节磁场的强度和频率来测量，进而得到样品中未成对电子的信息。
EPR技术的优势与局限性优势：•非常灵敏：EPR技术可以检测到样品中极微弱的电子共振信号，使其在分析材料中微量元素的作用、电子结构等方面有着重要作用。
•高分辨率：EPR技术在测量中具有很高的分辨率，可以准确地确定样品中未成对电子的状态和环境。
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
由于光源能量较低，线宽较窄（约为0.01eV),只能使原子的外层价电 子、价带电子电离，并可分辨出分子的振动能级,因此被广泛地用来 研究气体样品的价电子和精细结构以及固体样品表面的原子、电子结 构。
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现代分析测试技术—电子能谱
紫外光电子能谱的特征
在紫外光电子能谱的能 量分辨率下，分子转动能 (Er)太小，不必考虑。而分 子振动能(Ev)可达数百毫电 子伏特(约0.05-0.5eV)，且 分 子 振动周 期 约为 10-13s ， 而 光 电 离 过 程 发 生 在 1016s的时间内，故分子的(高 分辨率)紫外光电子能谱可 以显示振动状态的精细结构。
显然，紫外光电子能谱法不适于进行元素定性分析工作。 由于谱峰强度的影响因素太多，因而紫外光电子能谱法尚
难于准确进行元素定量分析工作。
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现代分析测试技术—电子能谱
X射线光电子能谱
由于各种原子轨道中电子的结合能是一定的，因此 XPS 可用来测定固体表面的化学成分,一般又称为化学分析光电子 能谱法。
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现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
2）、一组等价磁性核的超精细耦合作用
当未成对电子同时受到几个相同的磁性核作用时，谱线的裂分数为： 2nI+1， 其强度比符合二项式展开。
例如，甲基自由基H3C,因受到3个等价氢的作用而呈现4条裂分谱线。 苯自由基阴离子则为7条谱线。
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试管不用旋转 溶液需除氧
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现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
电子顺磁共振波谱的应用
EPR 主要应用于鉴定含有未成对电子的物质，自由基是EPR的主要研究对象。 例如，用EPR证实在氢醌氧化还原体系有半醌自由基的存在。
顺磁共振实验报告
近代物理实验报告顺磁共振实验学院班级姓名学号时间2014 年 5 月10 H顺磁共振实验实验报告【摘要】电子顺磁共振又称电子自旋共振。
由于这种共振跃迁只能发生在原子的周有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和周体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡獻所以又被称为电子自旋共振。
简称“EPR”或“ESR”。
由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。
在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。
【关键词】顺磁共振，自旋兰闵子，检波【引言】顺磁共振（EPR）又称为电子肖旋共振（ESR）,这是冈为物质的顺磁性主要来自电子的自旋。
电子自'旋共振即为处于恒定磁场中的电子自旋在射频场或微波场作用下的磁能级间的共振跃迁现象。
顺磁共振技术得到迅速发展后广泛的应用于物理、化学、生物及医学等领域。
电子肖旋共振方法具有在高频率的波段上能获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行超低含量分析，但并不破坏样品的结构，对化学反应无干扰等优点，对研究材料的各种反应过程中的结构和演巫，以及材料的性能具有重要的意义。
研究了解电子自旋共振现象，测量有机自由基DPPH的g闵子值，了解和掌握微波器件在电子自由共振中的应用，从矩形谐振长度的变化，进一步理解谐振腔的驻波。
【正文】一、实验原理(1)电子的肖旋轨道磁矩与肖旋磁矩原子中的电子由于轨道运动，具有轨道磁矩，其数值为：刀儿，负号表示方向同E相反。
在量子力学中E=』(/+1)方,因而均=屮Q+1)-^― = Jo + “B = 4r~-九，其中2叫称为玻尔磁子。
电子除了轨道运动外“、= y]s(S+\) —还具有自旋运动，因此还具有肖旋磁矩，其数值表示为：m叫。
由于原子核的磁矩可以忽略不计，原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子少 _ & 丄号&=] + 旳+Ta+i)+s(w)的总磁矩：2他,其中弐是朗德闵子：2山+ 1) 。
实验八微波电子顺磁共振
实验⼋微波电⼦顺磁共振实验⼋微波电⼦⾃旋共振电⼦⾃旋共振⼜称电⼦顺磁共振。
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⾃旋磁矩的贡献所以⼜被称为电⼦⾃旋共振，简称“EPR”或“ESR”。
由于电⼦的磁矩⽐核磁矩⼤得多，在同样的磁场下，电⼦顺磁共振的灵敏度也⽐核磁共振⾼得多。
在微波和射频范围内都能观察到电⼦顺磁现象，本实验使⽤微波进⾏电⼦顺磁共振实验。
⼀、实验的⽬的1．研究微波波段电⼦顺磁共振现象。
2．测量DPPH 中的g 因⼦。
3．了解、掌握微波仪器和器件的应⽤。
4．进⼀步理解谐振腔中TE10波形成驻波的情况，确定波导波长。
在原⼦和分⼦中，电⼦处原⼦核的正电势内，在某些允许的轨道中作轨道运动。
1925年，当时还是学⽣的（Goudsmit 和Uhlenbeck ）认为电⼦不仅作轨道运动，⽽且像围绕着太阳旋转的⾏星那样，还进⾏⾃转。
按照这种模型，当原⼦和分⼦存在具有未配对电⼦的轨道时，由于电⼦⾃旋形成⼀个⼩磁偶极⼦，因⽽当外加⼀定强度的磁场后，由于电⼦⾃旋和磁场之间的相互作⽤，其轨道能级进⼀步劈裂成⼏个能级。
在这些特定的能级之间，如果发⽣电⼦跃迁，将引起电磁波的吸收和发射，这就是ESR 。
如果原⼦和分⼦的电⼦轨道全部是封闭壳层时，由泡利（Pauli ）原理，各电⼦轨道将分别被两个⾃旋相反的电⼦占有，由电⼦⾃旋产⽣的磁矩就彼此抵消。
因此也测不到ESR 。
原⼦核也和电⼦⼀样，由于核⾃旋也形成⼀个⼩磁体（核磁⼦），其中有代表性的就是质⼦（1H ）。
与ESR 的情况相同，如和外磁场之间的相互作⽤，也能使原⼦能级分裂，这时如果在分裂的能级间引起电磁波的吸收和发射，这就是NMR 。
⼆、实验原理本实验有关物理理论⽅⾯的原理请参考有关“电⼦⾃旋（顺磁）共振”实验、“微波参数测量”实验等有关章节。
具有未成对电⼦的物质置于外磁场B 0中，由于电⼦⾃旋磁矩与外加磁场B 0相互作⽤，导致电⼦基态塞曼能级分裂，其能量差为：0B B g E µ=? （1）其中g=2.0023为⾃由电⼦的朗德因⼦。
(整理)电子顺磁共振实验讲义
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。
电子顺磁共振
古德斯密特、乌伦贝克：荷兰-美国物理学家
EPR—基本原理
EPR—基本原理
做自旋运动的电子可视为一个微小磁体。
EPR—基本原理
What’s the Electron Spin?
The electron spin is the electron’s electromagnetic field angular momentum.
EPR—基本原理
若物质分子（原子、离子）中存在未成 对电子，其自旋产生磁矩，亦称永久磁矩。 通常情况下，该分子磁矩的方向是随机的， 不呈现顺磁性。 当其处于外加磁场中，分子的永久磁矩 随外磁场取向，产生与外磁场同向的内磁 场，这就是物质顺磁性的来源。
回答了哪些物质是顺磁性的!
EPR—基本原理
物质的磁性
…… ! ! !
EPR
本课程主要内容：
一、 电子顺磁共振的基本原理
二、 电子顺磁共振的研究对象
三、 电子顺磁共振波谱
四、 电子顺磁共振波谱仪
五、 EPR/ESR应用实例
EPR—基本原理
一、 电子顺磁共振的基本原理 1、概述
电子自旋的磁特性
EPR—基本原理
Joseph John Thomson （英国）
1958/59
Mö ssbauer效应（无反冲g射线共振吸收）
EPR
因磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家
1944年
1952年 1955年 1966年 1977年 1989年 1991年 2002年 2003年 2007年
I.S. Rabi
F. Bloch, E.M. Purcell W.E. Lamb, P. Kusch A. Kastler J.H. Van Vleck N.F. Ramsey, H. G. Dehmelt, W. Paul R.R. Ernst K. Wü thrich P.C. Lauterbur, S. P. Mansfield A. Fert, P. Grü nberg （到今年为止）
电子顺磁共振(ESR)
氘原子的能级（体系的S=1/2, I=1）
[2] 一个未成对电子与多个磁性核的相互作用 ①含有两个I＝1/2的等性核 含有两个I 1/2的等性核 CH2 OH基: 未成对电子与两个氢原子等性耦合 CH OH基 都无核磁矩） （12C和16O都无核磁矩）
根据跃迁选律 只有四个允许跃迁的能量 由于中间能级（ 由于中间能级（MI ＝0） 相重合，中间M 相重合，中间MI ＝0处的 谱线强度是两侧的二倍， 谱线强度是两侧的二倍， 最终得到的是三条1:2:1 最终得到的是三条1:2:1 强度的谱线
EPR的灵敏度比 的灵敏度比NMR 的灵敏度高， [3]. EPR的灵敏度比NMR 的灵敏度高， EPR检出所需自由基的绝对浓度约在 EPR检出所需自由基的绝对浓度约在 数量级。 10-8M数量级。 [4]. EPR 和NMR 仪器结构上的差别: 仪器结构上的差别: 前者是恒定频率，采取扫场法， 前者是恒定频率，采取扫场法， 后者是恒定磁场，采取扫频法。 后者是恒定磁场，采取扫频法
若有n 若有n个I＝1/2的等性核与未成对电子相互 1/2的等性核与未成对电子相互 作用则产生n 作用则产生n＋1条等间距的谱线，其强度 条等间距的谱线， 正比于（ 正比于（1＋x）n 的二项式展开的系数
②含两个I＝1的等性核 含两个I 两个氮核与一个未成对电子有等同的作用 14N核的I＝1，M ＝1,0,-1 核的I 1,0,I
电子的磁共振
[
电子自旋磁矩的磁共振 电子轨道磁矩的磁共振
4.5.1 电子顺磁共振基本原理
物质的顺磁性是由分子的永久磁矩引起的 根据保里原理: 根据保里原理: 每个分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子， 每个分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子， 因而各个轨道上已成对的电子自旋运动产生的磁矩 是相互抵消的， 是相互抵消的，只有存在未成对电子的物质才具有 永久磁矩，它在外磁场中呈现顺磁性。 永久磁矩，它在外磁场中呈现顺磁性。
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原子化器系统
M＊
脱溶剂 离解 激发
MX(试液)
MX(气态) M
电离
+
X
M+
火焰原子化装置 （1）雾化器：将试液雾化 （2）燃烧器：形成火焰，是进入火焰的试样微粒原子化 （3）火焰：提供一定能量，促使试样雾滴蒸发、干燥 并经过热离解或还原在作用，产生大量基态原子
火焰原子化装置
助燃气 燃烧器
燃气
试 样 预混合室 废液排放口
雾化器
非火焰原子化装置
（1）石墨炉原子化器 测定过程：①干燥阶段，②灰化阶段， ③原子化阶段，④烧净阶段
（2）氢化物原子化器
分光系统
组成： 分光系统：由色散元件、凹面镜和狭缝组成 作用： 将待测元素的共振线与邻近谱线分开 单色器的位置： 放在原子化器后的光路中 检测系统 组成： 检测器、放大器、读数和记录系统
顺磁共振法应用:
⑴测定自由基的浓度 ⑵测定未成对电子所处的状态和环境 ⑶测定g值，了解配合物的电子组态
§6.3 核磁共振
原子核的结构
卢瑟福原子模型（核式结构模型） 在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部 正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子 在核外空间里绕核旋转，原子的核式结构学说可完满解释 α粒子散射实验。
顺磁共振是研究具有未成对电子的物质，如配合物 . 自 由基和含有奇数电子的分子等顺磁性物质结构的一种重要方 法，它又称为电子顺磁共振（EPR）或电子自旋共振（ESR）。 电子的自旋磁矩μ s在磁场方向的分量μ sz为
SZ gmS e
式中g为电子自旋因子，m s为自旋磁量子数，取值为 ±1/2，β e为玻尔磁子。
在实际应用中，谁磁性原子当中的电子常会受到临近原子 的影响，这时，在同一磁场下，原子的能级分裂的宽度可 能是不等间隔的，由于每一个能级会产生一个共振峰，因 此，调节B会产生不同的共振峰。出现多个共振峰成为波 谱的精细结构，显然，根据共振普可以探知顺磁性原子的 能级结构以及受环境因子的影响。
一般说来，共振峰下的面积有能够产生共振的物质所决定 ，据此，如果利用含有已知浓度的摩物质的共振峰作为标 准，就可以根据共振峰面积的大小来估测物质的浓度。 对于生物体中的铜和非血铁红素，它们在可见和紫外区不 吸收辐射，但其氧化态却能产生EPR，因此利用这些EPR 信号的出现与否可以检查和诊断癌症。
§6.2 顺磁共振
电子顺磁共振及其生物学中 的应用 电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance 简称EPR） 处于两能级间的电子发生受 激跃迁，导致部分处于低 能级中的电子吸收电磁波 的能量跃迁到高能级中 --------电子顺磁共振现象 。
g BB
电子顺磁共振波谱仪
§6 生物光谱
§6 生物光谱
§6.1 §6.2 §6.3 §6.4 原子吸收光谱 顺磁共振 核磁共振 原子核的衰变
§6.1 原子吸收光谱
原子光谱法 根据原子外层电子跃迁所产生的光谱进行分析 的方法。
原子吸收光谱法： 基于测量试样所产生的原子蒸汽中基态原子对其 特征谱线的吸收，从而定量测定化学元素的方法。 测定过程：
光源
原子化器
单色器
检出系统
原子吸收光谱法的基本原理
共振线吸收线: 电子从基态跃迁到能量最低的激发态为共振跃迁,
所产生的谱线
共振线发射线 当电子从第一激发态跃会基态时,则发射出同 样频率的谱线 特征谱线 各种元素的原子结构和外层电子排步不同,不同元素的原 子从基态 第一激发态时,吸收和发射的能量不同,其共 振线不同,各有其特征性.
玻尔的原子模型、能级：
原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些 状态中原子是稳定的，电子虽绕核运动，但并不向外 辐射能量，这些状态称为定态。 原子发生定态跃迁时，要辐射（或吸收）一定频率的光子。 即
hv E初 E末
原子的能量状态量子化和对应的可能轨道分布量子 化。即 其中
E1 rn n r1 , En 2 n
Iv的变化规律 原子蒸汽在v0 I
I0
Kv的变化规律
0
I 与 的关系 原子蒸汽在v0频率处有吸收
中心频率（波长）- 最大吸收系数 所对应的频率（波长） 吸收轮廓（半宽度 ）- 吸收系数 一半所对应的频率（波长）
原子吸收光谱仪
火焰原子吸收光谱仪示意图
光源-空心阴极灯 作用：法射待测元素的特征光谱 要求：（1）发射待测元素的共振线 （2）发射锐线光谱 （3）强度大、稳定、寿命长 空心阴极灯：
2
（n=1,2,3……）
r1 0.5310的各个定态的能量值叫做它的能级。 能级的跃迁 原子处于基态时稳定，处于激发态时不稳定，总有跃迁到基 态的趋势。原子从末能级跃迁到另一能级的过程叫能级的跃 迁。 从较低能级跃迁到较高的能级是吸收能量的过程； 从较高的激发态向较低的能给跃迁是辐射能量的过程。 这个能量以光子的形式辐射出去这就是原子发光现象。
原子和原子核的大小：
15 14 原子核大小约 10 ~ 10
m
原子的核式结构的发现： 电子的发现： 汤姆生发现电子，电子是原子的组成部分 汤姆生原子模型：（枣糕模型） 原子是一个球体，正电荷均匀分布，电子象枣糕的枣子嵌在 原子里 α粒子散射实验: ①绝大多数的α粒子不发生偏转； ②少数α粒子发生了较大偏转； ③极少数α粒子出现大角度的偏转。（甚至被反弹回来）实 验结果与汤姆生模型推出来的结果根本不符合
原子吸收法的定量基础:
原子吸收服从朗伯定律： 若将入射强度为I0的不同频率的光通过原子蒸汽， 吸收后其透过光的强度Iv与原子蒸汽的厚度b的关系，
服从朗伯定律。
I0
b 原子蒸汽
I v = I0 e
-Kv b
Iv
由于物质对不同频率的入射光的吸收具有选择性，因而透过 光的强度Iv和吸收系数Kv将随着入射光的频率而变化。
ms 1/ 2, E 1/ 2 g e B / 2
ms 1/ 2, E 1/ 2 g e B / 2
顺磁共振吸收频率ν 和磁感应强度B的关系为：
h g e B
若顺磁共振仪选用B=0.34T，对于g=2的物质，顺磁 共振吸收频率为：
9.527 109 Hz