文档介绍：电子自旋共振实验 河北师范大学 物理科学与信息工程学院中心实验室 赵滨华
电子自旋共振(Electron Spin Resonance简称ESR)亦称电子顺磁共振(Electron ic Resonance简称EPR),它是指电子自旋磁矩在磁场中受相应频率的电磁波作用时,在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。1946年由斯坦福大学的布洛克(Bloch)与哈佛大学的庞德(Pound)首先在实验中发现。
这个现象在具有未成对自旋磁矩的顺磁物质(即含有未耦电子的化合物)中能够观察到。因此,电子自旋共振是探测物质中未耦电子以及它们与周围原子相互作用,从而获得有关物质微观结构信息的重要方法。这种方法具有很高的灵敏度和分辨率,能深入到物质内部进行细致分析而不破坏样品结构以及对化学反应无干扰等优点。目前,被广泛应用于物理、化学、生物和医学等领域的研究中。
本实验的目的是:一方面加深对磁共振物理思想的理解;另一方面学习用射频段或微波段观测电子自旋共振信号的方法,并测定顺磁样品DPPH中电子的g因子
实验仪器:3cm微波固态源,磁共振实验仪,微波传输线系统,电磁铁,反射式样品谐振腔,示波器和特斯拉计等。
实验原理
.由原子物理可知,自旋量子数s=1/2的自由电子其自旋角动量, 因为电子带电荷,所以自旋电子还具有平行于角动量的磁矩,当它在磁场中由于受磁感应强度的作用,则电子的单个能级将分裂成2S+1(即两个)子能级, 称作塞曼能级, 两相邻子能级间的能级差为:
式中焦耳/持斯拉,称为玻尔磁子,g为电子的朗德因子,是一个无量纲的量,其数值与粒子的种类有关,如自由电子g=。
自由电子在直流静磁场B0中,不仅作自旋运动,而且将绕磁感应强度B0进动,其进动频率为v, 如果在直流磁场区迭加一个垂直于频率为v的微波磁场,当微波能量子的能量等于两个子能级间的能量差时,则处在低能级上的电子有少量将从微波磁场吸收能量而跃进到高能级上去。因而吸收能量为
实验所采用的样品为含有自由基的二苯基—苦基肼基(DPPH),其分子式为(C6H5)2N-NC6H2(NO2)3,由此可见,在中间的N原子少一个共价键,有一个未偶电子,或者说有一个未配对的自由电子,这个自由电子就是实验研究的对象,它无轨道磁矩,因此实验中观察到的是电子自旋共振的情况,故通常又称为电子自旋共振(ESR), 由于DPPH中的“自由电子"并不是完全自由的, ,.
实验所采用的样品
电子自旋共振实验装置示意图
下面根据实验系统示意图,结合各个仪器部件,介绍各部分的结构和作用。