射频法测电子自旋共振实验.doc

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名： 同组者： 教师： 实验7-2 射频法测电子自旋共振实验 【实验目的】 了解电子自旋共振理论。 掌握电子自旋共振的实验方法。 测定DPPH自由基中电子的g因子和共线宽度。 【实验原理】 1、电子自旋共振基础 原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋，其自旋角动量为 （7-2-1） 其中S是电子自旋量子数，。 电子的自旋角动量与自旋磁矩间的关系为 （7-2-2） 其中：为电子质量；，称为玻尔磁子；g为电子的朗德因子，具体表示为 （7-2-3） J和L为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数，。对于单电子原子，原子的角动量和磁矩由单个电子决定；对于多电子原子，原子的角动量和磁矩由价电子决定。含有单电子或未偶电子的原子处于基态时，L=0，J=S=1/2，即原子的角动量和磁矩等价于单个电子的自旋角动量和自旋磁矩。 设为电子的旋磁比，则 （7-2-4） 电子自旋磁矩在外磁场B（z轴方向）的作用下，会发生进动，进动角频率ω为 （7-2-5） 由于电子的自旋角动量的空间取向是量子化的，在z方向上只能取 （） m表示电子的磁量子数，由于S=1/2，所以m可取±1/2。电子的磁矩与外磁场B的相互作用能为 （7-2-6） 相邻塞曼能级间的能量差为 （7-2-7） 如果在垂直于B的平面内加横向电磁波，并且横向电磁波的量子能量正好与△E相等时，即满足电子自旋共振条件时，则电子将吸收此旋转磁场的能量，实现能级间的跃迁，即发生电子自旋共振。 2、实验装置及原理 射频段的电子自旋共振实验装置及仪器如图7-2-1所示，为了实验方便，图7-2-2给出了DS—1型（中山大学）电子自旋共振仪控制面板和接线方式。从图中可以看到，外磁场B0由亥姆霍兹螺线管（稳恒磁场线圈）产生，稳恒磁场线圈与扫场线圈结合在一起。稳恒磁场线圈的轴线中心处垂直放置射频线圈，产生旋转磁场。 图7-2-1 射频段电子自旋共振实验装置框图 图7-2-2 DS—1型电子自旋共振仪面板和接线图 图7-2-3 DPPH的结构 样品就放在射频线圈内。本实验用的样品是含有自由基的有机物DPPH，因为它有非常强的共振吸收，即使只有几毫特的磁场（对应的几十兆赫的射频波段），也能观察到明显的共振吸收信号，因此将它作为电子自旋共振实验的一种标准样品。其分子式为，结构式如图7-2-3所示。它的一个氮原子上有一个未成对的电子，构成有机自由基，实验表明，自由基的 g值（公认的DPPH的g值为2.0038）十分接近自由电子的g值（2.0023）。 稳恒磁场线圈轴线中心处的磁感应强度可以根据线圈中的电流I（通过磁场调节旋钮控制并由电流表检测）和线圈参数得到，公式为 （7-2-8） 其中，为真空磁导率；N、L和D分别为线圈匝数、线圈长度和线圈直径。 同核磁共振实验一样，为了提高信噪比，并获得稳定的共振信号，也要在稳恒磁场B0上加一个交变低频调制磁场（即扫描磁场，），其由扫场线圈产生，频率是50Hz，幅度可由扫场调节旋钮控制。这样，样品所在的实际磁场应为，这个周期变化的磁场将引起相应的进动角频率也周期性地变化。如果旋转磁场的角频率为ω，则当扫过ω所对应的共振磁场时，就会发生共振。发生共振时，样品从旋转磁场中吸收能量，导致射频线圈品质因数的改变，从而形成共振信号，由检波器检测并输出给示波器显示。用内扫法在示波器上观察到的共振信号如图7-2-4所示，从中可以看出不同形状的共振信号与调制磁场幅度及相位间的关系。很明显，图7-2-4（c）表示的共振信号是最有价值的，此时调制磁场，只要计算出B0，测量出共振角频率，就可以根据（7-2-7）式计算旋磁比γ和朗德因子g。 图7-2-4 射频段电子自旋共振信号（内扫法） 图7-2-5 共振信号的李萨如图形 如果将调制信号也输出至示波器作为横扫描信号（移相法），则可以在示波器上观察到共振信号的李萨如图形，如图7-2-5所示。 【实验装置】 电子自旋共振实验装置包括永磁铁（或电磁铁）、扫场电源和扫场线圈、边限振荡器、检波器、探头及样品、移相器、频率计、示波器等。 【实验内容】 （1）首先调节稳恒磁场线圈电流为最小，打开电源，预热15分钟，然后分别用内扫法和移相法观察DPPH的共振信号，了解仪器的工作原理，掌握操作