电子自旋共振(射频) (340).doc

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 （7-2-1）其中S是电子自旋量子数，。电子的自旋角动量与自旋磁矩间的关系为 （7-2-2）其中：为电子质量；，称为玻尔磁子；g为电子的朗德因子，具体表示为 （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，。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。设为电子的旋磁比，则 （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，进动角频率为 （7-2-5）由于电子的自旋角动量的空间取向是量子化的，在z方向上只能取 （）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 （7-2-6）相邻塞曼能级间的能量差为 （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。B1可以在射频段由射频线圈产生，也可以在微波段由谐振腔产生，由此对应两种实验方法，即射频段电子自旋共振和微波段电子自旋共振，以下分别进行介绍。【实验方法1 射频段电子自旋共振】1、实验装置及原理射频段的电子自旋共振实验装置及仪器如图7-2-1所示，为了实验方便，图7-2-2给出了DS1型（中山大学）电子自旋共振仪控制面板和接线方式。从图中可以看到，外磁场B0由亥姆霍兹螺线管（稳恒磁场线圈）产生，稳恒磁场线圈与扫场线圈结合在一起。稳恒磁场线圈的轴线中心处垂直放置射频线圈，产生旋转磁场。图7-2-1 射频段电子自旋共振实验装置框图图7-2-2 DS1型电子自旋共振仪面板和接线图图7-2-3 DPPH的结构样品就放在射频线圈内。本实验用的样品是含有自由基的有机物DPPH，因为它有非常强的共振吸收，即使只有几毫特的磁场（对应的几十兆赫的射频波段），也能观察到明显的共振吸收信号，因此将它作为电子自旋共振实验的一种标准样品。其分子式为，结构式如图7-2-3所示。它的一个氮原子上有一个未成对的电子，构成有机自由基，实验表明，自由基的 g值（公认的DPPH的g值为2.0038）十分接近自由电子的g值（2.0023）。稳恒磁场线圈轴线中心处的磁感应强度可以根据线圈中的电流I（通过磁场调节旋钮控制并由电流表检测）和线圈参数得到，公式为 （7-2-8）其中，为真空磁导率；N、L和D分别为线圈匝数、线圈长度和线圈直径。同核磁共振实验一样，为了提高信噪比，并获得稳定的共振信号，也要在稳恒磁场B0上加一个交变低频调制磁场（即扫描磁场，），其由扫场线圈产生，频率是50Hz，幅度可由扫场调节旋钮控制。这样，样品所在的实际磁场应为，这个周期变化的磁场将引起相应的进动角频率也周期性地变化。如果旋转磁场的角频率为，则当扫过所对应的共振磁场时，就会发生共振。发生共振时，样品从旋转磁场中吸收能量，导致射频线圈品质因数的改变，从而形成共振信号，由检波器检测并输出给示波器显示。用内扫法在示波器上观察到的共振信号如图7-2-4所示，从中可以看出不同形状的共振信号与调制磁场幅度及相位间的关系。很明显，图7-2-4（c）表示的共振信号是最有价值的，此时调制磁场，只要计算出B0，测量出共振角频率，就可以根据（7-2-7）式计算旋磁比和朗德因子g。图7-2-4 射频段电子自旋共振信号（内扫法）图7-2-5 共振信号的李萨如图形如果将调制信号也输出至示波器作为横扫描信号（移相法），则可以在示波器上观察到共振信号的李萨如图形，如图7-2-5所示。【数据记录及处理】1.调节电子自旋共振仪的频率调节旋钮，记录频率范围如下 23.86494MHZf26.40291 MHZ2.利用公式 与 计算所需电流范围（其中，。） ,得到所需电流范围 0.265A I0.293A3. 测定DPPH样品的朗德因子g（内扫法） 选择5个等间距的频率在不同的磁场方向，分别调节稳恒磁场线圈中电流大小得到数据如下表所示 组数参数 1 2 3 4 5频率MHZ 正电流A 正24.0088324.5069425.0068925.5017926.008010.1760.1820.1860.1940.199频率MHZ 反电流A 反24.0090324.5075025.0070225.5018226.008190.1360.1420.1460.1490.152依据 计算朗德g因子磁场正向时= 1.364 =1.346 =1.344 =1.314 =1.306g平均值： 其不确定度所以朗德因子的相对不确定度为：相对误差为：磁场反向时= 1.765 =1.726 =1.713 =1.712 =1.711g平均值： 其不确定度所以朗德因子的相对不确定度为：相对误差为：3 分别用内扫法和移相法测量调制磁场幅度Bm(1) 内扫法实验测得电流 ,由公式，可得相应的Bm：（2） 移相法实验测得电流 由公式，可得相应的Bm：由上面两种方法测得的结果，取他们的平均值作为调制磁场幅度，则 4 分别用内扫法和移相法测量共振谱线宽度与横向驰豫时间 （1） 内扫法实验测得，由公式，可算出 （2） 移相法 由上面两种方法可得的平均值为：将其带入公式 可得驰豫时间：实验分析：由于计算结果可看出 实验结果相对误差较大，甚至可视为错误。分析原因如下：1.，没有将实验仪器充分预热，启动后不久便开始进行实验，此时仪器各项功能并未达到实验要求，数值不稳定，所以出现较大误差。2.实验时读数的人为误差3.由于电子自旋的线圈产生的磁场比共振弱得多，对周围环境的变化比较敏感，周围环境对实验造成很大影响。【思考题】1.试比较电子自旋共振与核磁共振的异同点？答：由于核磁共振实验还为实际操作通过阅读教材得知核磁共振是研究原子核，对射频电磁场能量的共振吸收现象。实验样品是剥离点子的原子核。而电子自旋共振是未偶电子对射频电磁场能量的共振吸收现象。实验样品是拥有未配对电子的含有自由基的有机物DPPH。2.简要叙述射频段电子自旋共振的实现方法？答：在稳恒磁场B0上加一个交变低频调制磁场,这样，样品所在的实际磁场应为，这个周期变化的磁场将引起相应的进动角频率也周期性地变化。如果旋转磁场的角频率为，则当扫过所对应的共振磁场时，就会发生共振。发生共振时，样品从旋转磁场中吸收能量，导致射频线圈品质因数的改变，从而形成共振信号，由检波器检测并输出给示波器显示。用内扫法在示波器上观察到的共振信号如图7-2-4所示，从中可以看出不同形状的共振信号与调制磁场幅度及相位间的关系。3.为什么电子自旋共振实验中必须考虑地磁场的影响，而