电子顺磁共振实验讲义

1、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 (ElectronParamagnetic 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

2、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。. 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

3、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 与总角动量Pj之间满足如下关系:uJJ =-gjPjp Pj式中出为玻尔磁子，羽为约化普朗克常量。由上式可知，回磁比=-g 4Bn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,g=1, J(J 1) S(S 1)-L(L1)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=1o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

4、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AE=Ym力B0决定，相邻磁能级之间的能量差E =力 B0(4)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Bicos 5t当交变磁场的角频率满足共振条件1二屉0(5)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。由(2)和(5)两式可解出g因子：g - 0 0 / -B B0(6)式中断为共振圆频率，力为约化普朗克常数， 。因此通过共振频率和 外磁场磁感应强度的测量可以确定 g因子。B、仪器实现本实验所用的FD-TX-ESR-II型顺磁共振实验仪采用两种方式检测共振

5、信 号，低频大调场视频检测或高频小调场相敏检测。低频大调场视频检测，需要在稳恒磁场上叠加一个低频调制场 ' ' 、. 、 、 , 、 一 、一. 一B' = Bm sint ,调制场的调制幅度大于共振谱线的线宽,调制磁场一个周期通过共振点两次，通过视频检波在示波器上看到两个磁共振信号。当射频场(或微波 场)角频率缶满足共振条件时，即切=?B。时谱线为等间隔分布，止匕时B =0,共 振磁场为B。高频小调场相敏检测，检测的共振信号为微分信号。小调场的幅度要比吸收线的宽度小得多。通常选择为略小于共振线宽的1/10。共振时应对吸收曲线的斜率取样，共振信号电平与吸收曲线的一级微商

6、成正比，小调场的相敏检测过程如图1所示。当直流磁场慢慢增大至进入吸收曲线附近时，由于小调场调制的结果，输出微波的幅度将是调制的，虽然小调场的调制幅度没变，输出微波的幅度 却随共振线的斜率不同而改变，有时甚至为零。经晶体检波后但未经过相敏检波 的信号如图1 (b)所示，信号的包络线对应着共振信号，频率等于调制信号的 频率，包络内左右两部分的调制信号相位是反相的。经过相敏检波及低通滤波器后检出共振信号的微分信号如图 1 (c)所示。微分信号的的峰谷值对应的磁场-3 -间隔为吸收线宽AB ,记为ABpp ;微分信号与横轴的交点为共振磁场B0C、实验样品本实验的样品为(b)图1小调场相敏检测处理过程(

7、c)DPPH(Di-Phehcryl PicrylHydrazal),化学名称是二苯基苦酸基联氨，其分子结构式为(C6H5)2N-NC6H2-(NO2)2,如图2NO：WO所示。它的第二个氮原子上存在一个未成对的电图2 DPPH分子结构图子，构成有机自由基，实验观测的就是这类电子的顺磁共振现象。三.实验仪器隔离精- 7 -图3 FD-TX-ESR-II电子顺磁共振仪构成图FD-TX-ESR-II电子顺磁共振仪的结构如图3所示，它是由电子顺磁共振仪主机、磁铁、示波器、微波系统（包括微波源、隔离器、阻抗调配器、钮波导、直波导、可变短路器及检波器）构成的。FD-TX-ESR-I电子顺磁共振仪直流调节

8、O扫描调节O扫描输出电源直流输出oX轴幅度O信号inoutooX-outO上海等日天欣科教仪器有限公司图 3 FD-TX-ESR-II电子顺磁共振仪前面板仪器的主机结构如图3所示，各部分的功能如下:1. 直流输出：此输出端将会输出0 600mA的电流，通过直流调节电位器来改变输出电流的大小。2. 扫描输出：此输出端将会输出01000mA的交流电流，具大小由扫描调节电位器来改变。3. 扫频开关：用来改变扫描信号的频率。4. IN与OUT:此两个接头是一组放大器的输入和输出端，放大倍数为10倍，IN端为放大器的输入端，OUT端为放大器的输出端。5. X-out:此输出端为一组正玄波的输出端，X轴幅

9、度为正玄波的幅度调节电位器，X轴相位为正玄波的相位调节电位器。6. 仪器后面板上的五芯航空头为微波源的输入端。仪器使用方法（1） 连线方法 ：a、 通过连接线将主机上的“扫描输出”端接到磁铁的一端。b、 将主机上的“直流输出”端连接在磁铁的另一端。c、 通过Q9 连接线将检波器的输出连到示波器上。d、 将微波源与主机相连。（2） 微波系统的连接：a、 将微波源上的连接线连到主机后面板上的5芯插座上。b、 将微波源与隔离器相接（按箭头方向联接）。c、 将隔离器的另一端与环型器中的（I ）端相连。d、将扭波导与环型器中的（II）端相接。e、 将环型器中的（III ）端与检波器相接。f、 将扭波导的

10、另一端与直波导的一端连接。g、 将直波导的另一端与短路活塞相接。其装配图如下所示:1微波源2隔离器3 环型器4扭波导5 直波导6样品7短路活塞8 检波器（3）仪器的调试：a、将DPPH样品插在直波导的小孔中。b、打开电源，将示波器的输入通道打在直流（DC）档上。c、调节检波器中的旋钮，使直流（DC）信号输出最大。d、调节端路活塞，再使直流（DC）信号输出最小。e、将示波器的输入通道打在交流（AC）档上，幅度为5mV档。f、这时在示波器就可以观察到共振信号，但此时的信号不一定为最强，可 以再小范围的调节短路活塞与检波器，也可以调节样品在磁场中的位置（样品在磁场中心处为最佳状态），使信号达到一个最

11、佳的状态。g、信号调出以后，关机，将阻抗匹配器接在环型器中的（ II）端与扭波导中间，开机，通过调节阻抗匹配器上的旋钮，就可以观察到吸收或色散 波形。四.实验内容与步骤DPPH顺磁共振谱线的测量：a、先把三个支架放到适当的位置，再将微波系统放到支架上，调节支架的 高低位置，使微波系统水平，最后把装有 DPPH样品（二苯基苦酸基联 氨，分子式为（C6H 5）2N - NC6H 2（HO2）5）的试管放在微波系统的样品 插孔中；b、将微波源的输出与主机后部微波源的电源接头相连，再将电子顺磁共振 仪面板上的直流输出与磁铁上的一组线圈的输入相连，扫描输出与磁铁 面板上的另一组线圈相连，最后将检波输出与

12、示波器的输入端相连。c、打开电源开关，将示波器调至交流档，将扫描调节旋钮调到最大后往回 转半圈，使扫描场最大，以便更容易找到共振信号，同时又不至于电流 过大而损坏仪器，逐步调节直流调节旋钮，增大电流，增大稳恒磁场的 强度直至观察到共振信号，调节检波器的短路活塞和直波导的短路活塞 直至共振信号的振荡幅度最大。调节直流调节电位器，使得输出信号等 间距（10ms）。d、取出样品。利用数字特斯拉计测量样品所在处的磁感应强度。在利用数 宇特斯拉计测量磁场前先进行校零。测量过程中，特斯拉计探头垂直伸 入放置样品的空腔，并保持探头与磁场垂直，缓慢旋转探头，观察特斯 拉计读数的变化，取最大值为本次测量值。反复

13、测量三次，取平均值作 为样品所在处的磁感应强度。根据微波源频率9.37GHz、测得的磁感应强度和共振条件式（6）计算DPPH的g因子。e、重新将样品放回样品槽，将主机的 X out信号输入示波器的另一通道,将示波器的工作模式切换到 X-Y合成模式，此时可观察到李萨如图形。通过调节主机的X轴幅度和X轴相位旋钮改变实验参数，观察图形变化 规律。调节阻抗调配器上的两个旋钮，使示波器上依次出现吸收信号和 色散信号，并绘制记录该信号。色散信号李萨如图形共振吸收信号李萨如图形DPPH顺磁共振谱线的计算机记录：a、检波器的输出接到示波器上。b、连接在主机扫描输出上的信号线换到锁相放大器上的电流输出端。c、调

14、节锁相放大器中的电流调节电位器，使输出到线圈上的电流约为80mA 左右，将示波器的幅度调节在最灵敏档。d、锁相放大器上的调制输出接在高频线圈（在谐振腔的两侧）的输入端。e、调节锁相放大器上调制幅度为最大， 输入/手调开关打在手调上，通过改变主机上的直流输出的大小，观察示波器，可以看到幅度为1-2mV左右的正弦波，如没有发现，可能是锁相放大器上的电流方向接反了，此调-9 -节过程需要很细心的去调节。f、 在示波器上出现正弦波后，将此信号送到锁相放大器上的IN 端，再调节主机上的直流调节电位器，可以看到表针在中心点附近来回摆动。g、把灵敏度开关打到最灵敏档(5mV)上，把积分时间开关打在最短时间(

15、10ms)上，指针摆动的幅度最大，积分时间最短，信号看的最明显。h、将锁相放大器上的 输入/手调开关打在输入上，点击软件上的运行按钮，即可看出实验采样到的数据与图形。i 、 实验数据采集完后，可对实验的数据及图形进行保存或打印。通过调节积分时间和灵敏度及调节阻抗匹配器的调节旋钮，改变测量参数，观察吸收谱线的变化。五 . 思考题1、ESR的基本原理是怎样的？2、在微波段ESR实验中，应怎样调节微波系统才能搜索到共振信号 ？为什么？六 . 参考资料1吴思诚、王祖锭近代物理实验I » 北京大学出版社2 杨福家原子物理学高等教育出版社3 王正行近代物理学北京大学出版社- 13 -附录：FD-

16、TX-PLL 锁相放大器序言在 ESR-I 的基础上加锁相放大技术和计算机控制，从而提高信噪比和实验功能。工作原理为了提高信噪比我们根据大型电子顺磁共振的工作原理引进锁相放大器。关于顺磁共振的基本原理详见ESR-I 电子顺磁共振说明书。以下我们介绍锁相放大器和计算机控制部分的工作原理。基本原理：现在已知/&出信号I =I(B)我们可以按多项式展开I =I(B0)I'(Bo)(B -B。)l''( Bo)(B Bo)22!一 一 一 3I'''( Bo)(B - Bo)+ - 中3!(2)-17 -如果我们在缓慢变化的B0上加上一余弦调制B

17、 = B0+Bsc0s(kt) (2)示变为:I =I(B0) I'(Bo)BsC0s(kt)_ 22I''( Bo)Bs cos (kt)2!_ 33口 Bo)BsC0s (kt)3!(3)如图(1)信号为。WWWWWWWWW图(1)如果Bs较0小那么可以将高次项忽略不计。I(Bo) I'(Bo)BsC0s(kt)(4)因为噪音存在并且有可能远大于信号I =I(Bo) I'(Bo)BsC0s(kt) N(t)(5)N(t)为噪音项根据富里叶变换积分公式cos(at)cos(bt)dt = (a -b),joC(6)我们可以将信号通过锁相放大器处理-be

18、I(Bo)I'(Bo)BsCos(kt) N(t)cos(kt)dt将以上各式分别积分-beI(B0)cos(kt)dt =0-jod-beN(t)cos(bt)dt =0-oO-beI'(B0) cos(kt) cos(bt) dt - I'(B0)二从而得到微分线形。如图(2)图（2）因为积分时间不可能是无穷大所以噪音不会是0,信号也不会是无穷大。因此可以得出选区足够大的积分时间和足够高的频率即可大幅度提高信噪比。仪器工作原理:仪器工作原理框图如图（3）图仪器前面板如图(4):(1)X与Y表头：显示信号的实部输出与虚部输出电源开关：控制仪器的通断(3)输入与手调：用来控制与计算机的连接，当开关在手调上时，输出信号由电流调节电位器来控制，当开关在输入上时，输出信号由计算机来控制采样与自校：用来判断仪器是否