微波顺磁共振

1. 微波顺磁共振 实验物理中心 崔益民 1

2. 电子顺磁共振 （Electron Paramagnetic Resonance 简称EPR) 或称电子自旋共振 (Electron Spin Resonance 简称ESR) 直接检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质 电子自旋磁矩的磁共振 电子轨道磁矩的磁共振  电子的磁共振 2

3. 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固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；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。 3

4. 微波段电子顺磁共振是通过电子的塞曼能级之间的共振信号证实不成对电子的磁矩存在，并且测量电子磁矩的大小，由此推导出电子的g 因子。因为微波段电子顺磁共振在化学、生物、医学的广泛应用，所以它逐步成为近代物理实验中的重要实验。 4

5. 主要内容 一、实验目的 二、实验原理 三、实验仪器 四、实验内容 五、实验注意事项 5

6. 一、实验目的 • 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。 6

7. 二、实验原理 • 电子除了质量、电荷等基本属性外，还有自旋。电子是个带电体，它的自旋会产生自旋磁矩。 • 电子自旋S与自旋磁矩μe的关系为： • μe ＝－geβS • （g称为g因子，β为电子的玻尔磁子。） 7

8. 二、实验原理 • 自旋磁矩在外场中与磁场H的相互作用为： E＝－ μe ·H＝－ μe Hcosθ ＝geβHSz 8

9. 二、实验原理 • 电子的自旋为S＝1/2，它在外磁场中有两种不同的取向（2S＋1），分别对应于两个不同的能级，其能量为： Ems＝geβHms，其中ms＝±1/2 • 所以二能级的能量差为： ΔE＝geβH 9

10. 二、实验原理 • 如在垂直于外磁场H另加一频率为ν的射频场，当满足： hν＝ΔE＝geβH • 电子自旋从射频场中吸收能量从低能级跃迁到高能级，产生了电子自旋共振现象。 10

11. 二、实验原理 • 要满足共振条件，可以采用两种方法： 1.固定H改变ν，这称作扫频法； 2.固定ν改变H，这称作扫场法。 • 由于技术上的原因，一般采用扫场法。 11

12. 二、实验原理 • 在外磁场B0中，电子自旋磁矩与B0相互作用，产生能级分裂，其能量差为 （1） 其中g为自由电子的朗德因子，g=2.0023。 • 在与B0垂直的平面内加一频率为f的微波磁场B1，当满足 （2） 时，处于低能级的电子就要吸收微波磁场的能量，在相邻能级间发生共振跃迁，即顺磁共振。 12

13. 二、实验原理 在热平衡时，上下能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布 （3） 由于磁能级间距很小，，上式可以写成 （4） 由于，因此N2<N1，即上能级上的粒子数应稍低于下能级的粒子数。由此可知，外磁场越强，射频或微波场频率f越高，温度越低，则粒子差数越大。因为微波波段的频率比射频波波段高得多，所以微波顺磁共振的信号强度比较高。此外，微波谐振腔具有较高的Q值，因此微波顺磁共振有较高的分辨率。 13

14. 二、实验原理 微波顺磁共振有通过法和反射法。 反射法利用微波器件魔T来平衡微波源的噪声，所以有较高的灵敏度。 与核磁共振等实验类似，为了观察共振信号，通常采用调场法，既在直流磁场BD上迭加一个交变调场BAcos ωt，这样样品上的外磁场为B= BD +BAcos ωt。当磁场扫过共振点，满足 （5） 时，发生共振，改变谐振腔的输出功率或反射状况，通过示波器显示共振信号。 14

15. 二、实验原理 15

16. 实验材料（二苯基-苦基肼基DPPH） 16

17. 三、实验仪器 17

18. 四、实验内容 ESR信号的观测和磁场测量 改变谐振腔腔长，重复以上步骤，得到另外几组组数据。 数据记录 （1）计算g因子。 （2）求波导波长λg 18

19. 五、实验注意事项 • 样品位置和腔长调整不要用力过大、过猛，防止损坏。 • 保护特斯拉计的探头防止挤压磕碰，用后不要拔下探头。 • 励磁电流要缓慢调整，同时仔细注意波形变化，才能辨认出共振吸收峰。 实验完成后，一定先将电磁铁磁场降到0，再关共振仪。 19

20. 实验后思考题 课后思考题 1，2 实验报告一周内交 20