实验报告7-2电子自旋共振.docVIP

二〇一二年九月二十二日星期六 PAGE3 / NUMPAGES3 实验7-2 微波电子自旋共振 谭晓宇·1010177·物理学·光学 实验背景 电子微波共振也称电子顺磁共振（EPR，Electron Paramagnetic Resonance），其工作机理与核磁共振是相同的。当原子、分子或离子中所有电子的自旋磁矩与轨道磁矩的总和不为零时，外界磁场便会引起它发生能级分裂。基于这种能级分裂，我们便可以观察到顺磁共振的现象。能产生顺磁共振的物质大致有这样几类：过渡族元素的离子、金属中的导电电子、半导体中的杂志原子、自由基。通过对这些物质EPR谱的观测，可以获得他们的g因子，线宽，弛豫时间，超精细结构参数等，可以了解有关原子、分子及离子中未偶电子的状态，从而获得有关物质的微观结构。现EPR谱已广泛应用于物理、化学、医学、生物、考古、石油、地质等领域。EPR谱仪具有很高的灵敏度和分辨率，可提供物质结构的丰富信息，是一项先进的无损伤探测技术。 实验原理 原子中，电子的磁矩为： 式中，为玻尔磁子，为旋磁比： 当自旋粒子处于磁场中时，空间量子化。取外磁场方向为Z轴方向，则电子的磁矩在外磁场方向的投影为： ，m= j , j-1 , ……, -j+1, -j 设外磁场的强度为B，则电子在磁场中具有的磁能为： 每个m都对应了一个能级，相邻能级之间的能量差为： 式中，v为垂直于B的交变磁场B1的频率。在B1的作用下，当v=v0, B=B0 时，电子将会在相邻能级之间发生偶极跃迁，即发生电子自旋共振，其条件可以表示为： 如果能够测得v?和B?，便能据此求出该种物质中电子的朗德因子g. 实验内容及步骤 我们使用的实验装置如下图所示： 1、在系统开启之前，将可变衰减器旋钮顺时针旋至最大（以防系统开启时受到功率过高的微波影响，损耗仪器），再开启系统的电源，使其预热20分钟左右（使系统内的各个器件达到微波工作状态，从而更灵敏）。 2、将顺磁共振试验仪上的“磁场”旋钮逆时针调到最低（不对样品施加外磁场），将“扫场”旋钮顺时针调到最大，按下“调平衡/Y轴”按钮。此时，顺磁共振仪处于检波状态。 3、将样品位置置于刻度尺90cm处，此时样品位于磁场的中央。 4、将单螺调配器的探针逆时针旋至“0”刻度处（因为接下来要先测定波导管内的微波频率，故而将调整共振的仪器归零）。 5、使信号源工作于等幅工作状态，调节可变衰减器及“检波灵敏度”旋钮，使顺磁共振仪上的调谐电表指示占满刻度的2/3以上（此时，调谐电表处于较高的灵敏度上）。 6、用波长表测定微波的信号频率，方法如下：旋转波长表的测微头，找到使调谐电表跌落的点，查波长表即可确定波导管内的震荡频率。如果震荡的频率不在9370Hz，则调节信号源的震荡频率，使其接近9370Hz。测定完毕后，应将波长表测微头旋开谐振频率处（否则波长表腔内将会吸收一定量的微波功率，降低信号源的使用效率）。 7、减小可变衰减器的衰减量，调节“检波灵敏度”旋钮，可提高调谐电表的示数，从而增强检波系统的灵敏度；调节样品谐振腔上的活塞和终端负载处得单螺调配器，使调谐电表尽量向小的方向变化（即能量尽可能多的以驻波的形式分布于样品谐振腔）。 8、按下“扫场”按钮，调节“扫场”旋钮可以改变扫场电流（从而改变扫描磁场的强度。扫描磁场相对于稳恒磁场其强度较低，与稳恒磁场一起构成加在样品上的外磁场B。这个外磁场是交变的，其幅值与扫描磁场的极大值相同。通过这种方式，来较为准确地确定使样品产生顺磁共振的磁场强度B0）。 9、顺时针调节磁场电流（即调节稳恒磁场的强度），当电流达到1.7A~1.9A之间时，示波器上会显示出电子共振信号（因为微波信号源的微波频率是确定的，样品是固定的，稳恒磁场系统也是固定的，因此出现共振信号的电流大小也会是固定的。因为设备在生产和长期使用中出现偏差，故给出的是一个区间）。 10、通过减小可变衰减器的衰减量、增大微波信号源的功率、加大扫场电流以及调节示波器等手段，使示波器上的信号清晰、明显。 11、用高斯计测量出外磁场的强度，通过公式 直接求出样品的g因子。 （实验中唯一使用的样品为DPPH——二苯基三硝基苯） 12、调节样品在样品谐振腔中的位置，确定相邻两次信号之间样品相对样品谐振腔发生的位移，从而求出波导管的波导波长。 四、实验数据处理 测得外磁场磁感应强度为3400Gs，则由公式可得DPPH的g因子为 五、实验总结 在这次实验中，我们3个人分工明确，总体上较好的完成了实验的内容。实验中，我们出过几次差错，但是还要感谢老师以及之前自己的努力才能克服困难。其实在实验过后的查阅资料中，一篇名为《微波电子自旋共振实验波形分析》（孙桂芳）和一篇名为《电子自旋共振实验ｇ因子的准确测量方法》（王合英）的论文中还是很有意思