材料物理实验方法电子顺磁共振详解.ppt

EPR—基本原理 若轨道中所有的电子都已成对，则它们 的自旋磁矩就完全抵消，导致分子无顺磁性。 若至少有一个电子未成对，其自旋就会产生自旋磁矩。 因此， EPR研究的对象必须具有未成对电子。 EPR—基本原理 H =0时, 自旋磁矩的方向是随机的, 并处于同一个平均能态。 H≠0时，自旋磁矩就有规则地排列起来（平行外磁场—对 应能级的能量较低，或反平行于外磁场—对应能级 的能量较高）。 回答了哪些物质是顺磁性的! 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。 EPR—基本原理 物质的磁性 EPR—基本原理 宏观物质的磁性是由构成原子的电子、质子、中子所携带的内禀自旋所导致的。 电子：电子轨道磁矩，电子自旋磁矩 (本征磁矩) 原子核的磁性：质子，中子(无轨道磁矩)。 斯特恩 Otto Stem发现质子磁矩，1943年获Nobel物理奖。 EPR—基本原理 构成原子的电子、质子、中子都是携带有内禀自旋磁矩，所以宏观物质都毫无一例外的是磁性物质。 共线的物质的磁性有： 抗磁性 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性 EPR—基本原理 物质的磁性是物质的宏观物性，它是分子内部微观结构的总体反映。 参考书《凝聚态磁性物理》 抗磁性 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性 c : 磁化率 TC : 居里点/温度 Θp : 顺磁居里点/温度 TN : 尼尔温度 EPR—基本原理 2、共振条件(Resonant Condition) EPR—基本原理 顺磁性物质的分子（或原子、离子）中存在未成对电子，其电子自旋角动量Ms不为零。 其中，S是电子总自旋量子数，其值取决于未成对电子的数目n (S= n/2 )，式中? =h/2π（Planck’s constant h = 6.626×10-34J.s） Ms在z轴方向（磁场方向）的分量Ms, z是: Ms, z = msh/2π = ms? 其中: ms为自旋磁量子数，其值 ms = S，S-1，S-2，…，-S。 EPR—基本原理 ? e,z = -γMs,z = -γms? = - gbms 分子磁矩在z方向的分量： 分子磁距在z方向的分量值与ms符号相反! 分子磁矩为： ?e = γMs Ms-电子自旋角动量 γ-电子旋磁比 γ= gee/2mec,电子旋磁比； b(μB)—Bohr磁子（轨道角动量最小单位） b=e?/2me= 9.2741×10-24 J/T; ge因子：自由电子2.0023，无量纲； e电子电荷；me电子质量, c光速。 EPR—基本原理 其中： 对含有未成对电子的分子而言，其磁矩为 将此分子置于一外磁场 中，则 与 之间就 有相互作用，产生能级分裂，即Zeeman分裂。 E = - · = - μHcosθ = - μz H = -(-gbms)H = gbmsH 可见，能级分裂随外磁场H增强而增大! EPR—基本原理 作用能为： 电子自旋能级在外场中被分裂成两个能级的现象 EPR—基本原理 1896年8月的一天，荷兰物理学家Zeeman把一盏燃烧着钠的本生灯（Bunsen burner）放到了电磁铁的两极间，奇妙的事情发生了：原本是单一谱线的钠光谱一下裂变成了三条！进一步的研究揭示了这一现象的奥秘：原来钠原子的电子能级在磁场的作用下产生了劈裂，电子在不同能级间的越迁就发出了三种不同波长的光。这一现象被命名为Zeeman劈裂，Zeeman 本人也因此获得 1902 年的诺贝尔物理奖。 相关研究工作表明，不仅仅是电子，自旋数不为零的原子核的能级在磁场中也会产生劈裂，这就是核磁共振的物理基础。 EPR—基本原理 如果体系中只有一个未成对电子，则ms 只取±1/2两个值， 其两种可能状态的能量分别是： Eα = (1/2)gbH； Eβ = -(1/2)gbH H = 0时， Eα= Eβ = 0，两种自旋的电子具有相同的能量 EPR—基本原理 H ≠0时： 分裂为两个能级Eα和Eβ ，能级分裂的大小与H成正比 。 ΔE = Eα- Eβ = g bH EPR—基本原理 若在垂直于磁场H的方向上施加频率为?的 电磁波，根据磁能级跃迁的选择定律Δm