材料物理实验方法电子顺磁共振优秀课件 (2).ppt

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。第37页,共54页，星期六，2024年，5月参考书《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—基本原理第38页,共54页，星期六，2024年，5月2、共振条件(ResonantCondition)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’sconstanth=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。第39页,共54页，星期六，2024年，5月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=γMsMs-电子自旋角动量γ-电子旋磁比第40页,共54页，星期六，2024年，5月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=9.2741×10-24J/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：第41页,共54页，星期六，2024年，5月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=-μzH=-(-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第42页,共54页，星期六，2024年，5月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（Bunsenburner）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。第43页,共54页，星期六，2024年，5月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)gbHH=0时，Eα=Eβ=0，两种自旋的电子具有相同的能量第44页,共54页，星期六，2024年，5月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=gbH第45页,共54页，星期六，2024年，5月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Δms=±1，h?=gbH……EPR共振条件当满足下面条件（Planck’slaw）：电子发生受激跃迁，即低能级电子吸收电磁波能量而跃迁到高能级中。第46页,共54页，星期六，2024年，5月关系式β=e?/2mc，也即β与m有关（成反比），由此也可以了解为什么核磁共振所使用的激发能（射频MHz）比顺磁共振的激发能(微波GHz)要小得多（小~103），因为mN≈1836me(βN=e?/2mNc)共振条件可简化为：Hr(Gs)=h?/gb=714.484×?(GHz)/g或写:g=h?/Hb=0.0714484×?(MHz)/H(mT)h?=gbHEP