2025年微波频段电子自旋共振实验研究报告.docxVIP

微波段电子自旋共振

引言

电子自旋共振(ElectronSpinResonance,简称ESR)也称电子顺磁共振(ElectronParamagneticResonance),是1944年由扎伏伊斯基首先观测到的，它是磁共振波谱学的一种分支。在探索物质中未耦合电子以及它们与周围原子互相作用方面，顺磁共振具有很高的敏捷度和辨别率，并且具有在测量过程中不破坏样品构造的长处。目前它在化学，物理，生物和医学等领域都获得了广泛的应用。

试验目的

1.本试验的目的是在理解电子自旋共振原理的基础上，学习用微波频段检测电子自旋共振信号的措施。

2.通过有机自由基DPPH的g值和EPR谱线共振线宽并测出DPPH的共振频率fs,算出共振磁场

Bs,与特斯拉计测量的磁场对比。

3.理解、掌握微波仪器和器件的应用。

4.学习运用锁相放大器进行小信号测量的措施。

试验原理

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，可以理解有关原子，分子及离子中未偶电子的状态及周围环境方面的信息，从而获得有关物质构造的知识。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，理解缺陷的种类，缺陷上电子与电子的互相作用，电子与晶格的互相作用的性质等。

电子自旋共振可以研究电子磁矩与外磁场的互相作用，一般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，一般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H和自旋磁矩m的关系是H=Hom。其自旋磁偶极矩与角动量之比称为旋磁比

Y,其体现式为

因此，电子自旋磁偶极矩沿磁场H方向的分量应当写为

式中ms为电子自旋角动量的z分量量子数，HB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=gμgHms

这阐明塞曼能级间的裂距8HBH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H在磁场H中的运动电子自旋磁矩绕磁场H的进动方程为

上式的解为

Hx=acoswot,Hy=asinwot,Hz=constant

式中wo=γHo上式表征了磁偶极矩H与磁场Ho保持一定的角度绕z轴做Larmor进动，其进动的角频率为wo=γHo。如下图所示

B?

B?年4Z

μ

B?

B?

Bo+*Z

μ

假如在垂直于恒定磁场H的平面内加进一种旋转磁场h,若此旋转磁场的旋转方向和进动方向相似，当h的旋转角频率W=Wo时，μ和h保持相对静止。于是H也将受到一种力矩的作用，绕h做进动，成果是μ与Ho之间的夹角增大，阐明例子吸取了来自旋转磁场h的势能，这就发生了电子顺磁共振现象，共振条件：

hu=gμpH?

3.电子自旋的量子力学描述自旋为S的电子

He=-gμBS△E=gμBH

hu=△E=gμBH

g=2时，计算得U=9.51GHz

4.弛豫过程、线宽

共振吸取的另一种必要条件是在平衡态下，低能态E?的粒子数N,比高能态E?的粒子数N?多，这样才能显示出宏观(总体)共振吸取。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，由于平衡时粒子数分布服从玻尔兹曼分布：

假定E?E2显然N?N?

吸取跃迁(E?→E1)占优势，然而随时间推移及Ez→E1过程的充足进行，势必使

N?与Ni之差趋于减少，甚至也许反转，于是吸取效应会减少甚至停止。但实际并非如此，由于包括大量原子或离子的顺磁体系中，自旋磁矩之间随时都在互相作用而互换能量，同步自旋磁矩又与其周围的其他质点(晶格)互相作用而互换能量，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持续不停的磁共振吸取效应。

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8E的增长，δE表达该能级的宽度，即这个能量的不准范国，如下图能级的阴影

宽度所示。这