电子自旋共振实验..doc

电子自旋共振实验 电子自旋的概念首先由Pauli于1924年提出。而电子自旋共振实验则是从1945年开始才发展起来的一项新技术。 电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子、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、医学等领域有广泛用途。 §1.3.1实验原理 1、量子力学解释 电子具有自旋，其自旋角动量Pe和自旋磁矩的关系为： 图1 自旋能级在磁场中的取向 g为朗德因子，为玻耳磁子，其值为5.7883785×1O-11MevT-1。若电子处于外磁场B（沿Z方向）中，据量子力学可知Pe和在空间的取向是量子化的，Pe在Z方向的投影为: (m=s,s-1,…-s) s为电子的自旋量子数，等于1/2，m为磁量子数，故m可取士1/2。这样，磁矩与磁场的相互作用能为： （1.3.1） 因此，在外磁场中，电子自旋能级发生分裂，如图1，其能量差为。这时，若加上一频率为的电磁场，使得： （1.3.2） 电子将吸收电磁场的能量从下能级跃迁到上能级，这实际上就是带有自旋的电子和电磁波发生的相互作用，称之为电子自旋共振。由式（1.3.2），发生共振时的电磁波频率： （1.3.3） ，称为电子的旋磁比。对自由电子，由于g=2.00232(近似于2)，共振频率和磁场的关系可简单地描述为： （1.3.4） 频率以MHz为单位。 2、经典力学解释 从经典力学的观点看，具有磁矩和角动量P的粒子，在外磁场B0中受到力矩的作用，由于此力矩使角动量发生变化，即，因此，有： 若磁场为稳恒磁场且沿Z方向，上式的解可以表示为： （1.3.5） 磁场B1和其它量的关系 存在B1时的进动情况 该式表示磁矩绕B0作进动，进动频率，如图，这样，磁矩和磁场的相互作用能为：。 图2 磁矩在外磁场中的进动 若在垂直于B0的方向（即X-Y平面）内加一个旋转磁场B1，其旋转频率为，旋转方向与进动方向一致，因而B1对磁矩的影响恰似一恒定磁场，也绕B0进动，结果使夹角增大，如图。这样就使得自旋体系在磁场中的能量发生变化，从而导致磁矩的取向从一种状态到另一种状态（例如，从自旋状态的+1/2到-1/2），或者说自旋体系能量的改变，就是体系内电子在两个不同能级之间的跃迁。因此当在垂直B0的方向上加入射频场B1，只要满足射频场的角频率，自旋体系中的自由电子就吸收射频能量，使电子从低能级跃迁到较高的能级，产生所谓电子共振吸收。而这共振吸收的条件是： 和量子力学解释相同。 3、共振线宽 以上只对一个孤原子体系进行讨论，假定有大量独立的原子，处在热平衡状态时，它们处于于某一状态（某一能级）的粒子数目服从波尔兹曼分布，当无任何外磁场时，总磁矩表现为0，如果先加上外磁场，而后突然将磁场撤掉，经过一段时间后，粒子又将恢复到平衡状态。 设外加磁场如前所述，B0方向（Z方向）经T1后恢复到平衡状态，则T1称纵向弛豫时间，它描述自旋粒子系统与周围物质晶格交换能量，使Z方向磁矩恢复平衡状态的时间常数，故又称自旋—晶格弛豫时间；T2反映在X-Y平面内的粒子恢复到平衡状态所需要时间，称横向弛豫时间，它描述自旋粒于系统内部通过能量交换使横向磁矩消失过程的时间常数，故又称自旋—自旋弛豫时间。 图3 能级宽度引起信号线宽 另外，共振时粒子在能级间反复跃迁而不是长期停留在某一能级上，因此，它们处于某一能级上的时间是有限值，即每一个能级都具有一定的能级寿命。据测不准关系，因此其能级也又一定宽度，发生共振跃迁时，信号有一定宽度，如图3，该宽度由理论可得出： 当B1很小，系统不饱和的情况下，1，这样：，即共振信号的降幅为最大时的一半时对应的频率间隔。若用磁场表示： （1.3.6） 由上所述，谱线的宽度与自旋一自旋相互作用有关，因此研究线宽可以获得自旋和电子轨道运动对其磁矩的贡献，以及周围环境对其所产生的影响。 §1.3.2