9.2微波段电子自旋共振详解.docx

9.2微波段电子自旋共振周纬121120198一． 实验目的：1.学习观测微波段电子自旋共振信号的方法；2.测量硫酸铜单晶电子的g因子和共振线宽。二．实验原理电子自旋共振研究的对象是有未偶电子（即未成对电子）的物质，如具有奇数个电子的原子和分子，内电子壳层未被填满的原子和离子，受辐射或化学反应生成的自由基以及固体缺陷中的色心和半导体、金属等。通过对物质的自旋共振谱的研究，可以了解有关原子，分子及离子中未偶电子的状态及周围环境方面的信息，从而获得有关物质结构的知识。例如对固体色心的自旋共振的研究，从谱线的形状、线宽及g银子，可以估算出缺陷的密度，了解缺陷的种类，缺陷上电子与电子的相互作用，电子与晶格的相互作用的性质等。电子自旋共振可以研究电子磁矩与外磁场的相互作用，通常发生在波谱中的微波波段，而核磁共振（NMR）一般发生在射频范围。在外磁场的作用下的能级发生分裂，通常认为是塞曼效应所引起的。因此可以说ESR是研究电子塞曼能级间的直接跃迁，而NMR则是研究原子和塞曼能级间的跃迁。也就是说，ESR和NMR是分别研究电子自旋磁矩和核磁矩在外磁场中磁化动力学行为。1. 电子自旋磁偶极矩电子自旋磁偶极矩μ和自旋磁矩m的关系是μ=μ0m。其自旋磁偶极矩与角动量之比称为旋磁比γ，其表达式为γ=μ0ge2me,因此，电子自旋磁偶极矩沿磁场H方向的分量应该写为μZ=-γℏms=-gμ0e2meℏms=-gμBms,式中ms为电子自旋角动量的z分量量子数,μB为玻尔磁子。由于自旋角动量取向的空间量子化，必将导致磁矩体系能级的空间量子化。即得一组在磁场中电子自旋此举的能量值为E=gμBHms这说明塞曼能级间的裂距gμBH是随磁场强度线性增大的，如下图所示。2. 电子自旋磁偶极矩μ在磁场H中的运动电子自旋磁矩绕磁场H的进动方程为dμdt=-γμ×H上式的解为μx=acosω0t，μy=asinω0t，μz=constant式中ω0=γH0上式表征了磁偶极矩μ与磁场H0保持一定的角度绕z轴做Larmor进动，其进动的角频率为ω0=γH0。如下图所示如果在垂直于恒定磁场H的平面内加进一个旋转磁场h，若此旋转磁场的旋转方向和进动方向相同，当h的旋转角频率ω=ω0时，μ和h保持相对静止。于是μ也将受到一个力矩的作用，绕h做进动，结果是μ与H0之间的夹角增大，说明例子吸收了来自旋转磁场h的势能，这就发生了电子顺磁共振现象，共振条件：ω0=ω=γH0=gμBℏH0hυ=gμBH03. 电子自旋的量子力学描述自旋为Ｓ的电子μe＝-gμBSΔE=gμBHhυ=ΔE=gμBHg=2时，计算得υ=9.51GHz4. 弛豫过程、线宽共振吸收的另一个必要条件是在平衡态下，低能态E1的粒子数N1比高能态E2的粒子数N2多，这样才能显示出宏观（总体）共振吸收。即由低能态向高能态跃迁的粒子数目比由高能态跃迁向低能态的数目多，这个条件是满足的，因为平衡时粒子数分布服从玻尔兹曼分布：N1N2=exp⁡(-E2-E1kT)假定E1E2显然N1N2吸收跃迁(E2→E1)占优势，然而随时间推移及E2→E1过程的充分进行，势必使N2与N1之差趋于减少，甚至可能反转，于是吸收效应会减少甚至停止。但实际并非如此，因为包含大量原子或离子的顺磁体系中，自旋磁矩之间随时都在相互作用而交换能量，同时自旋磁矩又与其周围的其它质点（晶格）相互作用而交换能量，这使处在高能态的电子自旋有机会把它的能量传递出去而回到低能态，这个过程称为弛豫过程，正是弛豫作用的存在才维持着连续不断的磁共振吸收效应。 弛豫过程导致粒子处在每个能级上的寿命δT缩短，而量子力学中的“测不准关系”指出δT×δE=constant亦即δT的减少会导致δE的增加，δE表示该能级的宽度，即这个能量的不准范国，如下图能级的阴影宽度所示。这样对于确定的微波频频率能够引起共振吸收的磁场强度B的数值便允许有—个范围△B，即共振吸收线有一定的宽度又称谱线半高宽度，简称线宽（下图）．驰豫过程越快，△B越宽，因此线宽可以作为驰豫强弱的度量。现在定义一个物理量一驰豫时间T，即令△B=hgμB(1T)式中△B是实际观察到的谱线宽度，理论证明1T=12T1+1T2T1称“自旋-晶格弛豫时间”，T2称“自旋-自旋弛豫时间”。对于Lorentz线形有：T2=1γ△B三．实验仪器核磁共振实验装置原理图整个核磁共振实验装置由固定磁场（电磁铁）及其电源，调场线圈及其电源，边限振荡器，探头（包括样品）示波器，频率计等组成。1.稳恒磁场：稳恒磁场由永久磁铁产生，这样即保证了磁场度稳定度高和均匀性好，又省去了稳压、稳流励磁电源。本永久磁铁采用新型的稀土永磁材，它不仅具有较高的剩余磁感应强度和矫顽力，而且具有很高的磁能级。越大，热平衡时上下能级粒子差数１.     调场旋柄（Ⅰ）2