順磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告.docVIP

近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 順磁共振實(shí)驗(yàn)學(xué) 院 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 時(shí) 間 2014年5月10日 順磁共振實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 【摘要】電子順磁共振又稱電子自旋共振。由于這種共振躍遷只能發(fā)生在原子的固有磁矩不為零的順磁材料中，因此被稱為電子順磁共振；因?yàn)榉肿雍凸腆w中的磁矩主要是自旋磁矩的貢獻(xiàn)所以又被稱為電子自旋共振。簡(jiǎn)稱“EPR”或“ESR”。由于電子的磁矩比核磁矩大得多，在同樣的磁場(chǎng)下，電子順磁共振的靈敏度也比核磁共振高得多。在微波和射頻范圍內(nèi)都能觀察到電子順磁現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)使用微波進(jìn)行電子順磁共振實(shí)驗(yàn)?！娟P(guān)鍵詞】順磁共振，自旋g因子，檢波【引言】順磁共振（EPR）又稱為電子自旋共振（ESR），這是因?yàn)槲镔|(zhì)的順磁性主要來(lái)自電子的自旋。電子自旋共振即為處于恒定磁場(chǎng)中的電子自旋在射頻場(chǎng)或微波場(chǎng)作用下的磁能級(jí)間的共振躍遷現(xiàn)象。順磁共振技術(shù)得到迅速發(fā)展后廣泛的應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。電子自旋共振方法具有在高頻率的波段上能獲得較高的靈敏度和分辨率，能深入物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行超低含量分析，但并不破壞樣品的結(jié)構(gòu)，對(duì)化學(xué)反應(yīng)無(wú)干擾等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)研究材料的各種反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)和演變，以及材料的性能具有重要的意義。研究了解電子自旋共振現(xiàn)象，測(cè)量有機(jī)自由基DPPH的g因子值，了解和掌握微波器件在電子自由共振中的應(yīng)用，從矩形諧振長(zhǎng)度的變化，進(jìn)一步理解諧振腔的駐波?！菊摹恳?、實(shí)驗(yàn)原理（1）電子的自旋軌道磁矩與自旋磁矩原子中的電子由于軌道運(yùn)動(dòng)，具有軌道磁矩，其數(shù)值為：，負(fù)號(hào)表示方向同相反。在量子力學(xué)中，因而，其中稱為玻爾磁子。電子除了軌道運(yùn)動(dòng)外還具有自旋運(yùn)動(dòng)，因此還具有自旋磁矩，其數(shù)值表示為：。由于原子核的磁矩可以忽略不計(jì)，原子中電子的軌道磁矩和自旋磁矩合成原子的總磁矩：，其中g(shù)是朗德因子：。在外磁場(chǎng)中原子磁矩要受到力的作用，其效果是磁矩繞磁場(chǎng)的方向作旋進(jìn)，也就是Pj繞著磁場(chǎng)方向作旋進(jìn)，引入回磁比，總磁矩可表示成。同時(shí)原子角動(dòng)量Pj和原子總磁矩取向是量子化的。在外磁場(chǎng)方向上的投影為：。其中m稱為磁量子數(shù)，相應(yīng)磁矩在外磁場(chǎng)方向上的投影為： 。（2）電子順磁共振原子磁矩與外磁場(chǎng)B相互作用可表示為：。不同的磁量子數(shù)m所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)表示不同的磁能級(jí)，相鄰磁能級(jí)間的能量差為，它是由原子受磁場(chǎng)作用而旋進(jìn)產(chǎn)生的附加能量。如果在原子所在的穩(wěn)定磁場(chǎng)區(qū)又疊加一個(gè)與之垂直的交變磁場(chǎng)，且角頻率滿足條件，即，剛好滿足原子在穩(wěn)定外磁場(chǎng)中的鄰近二能級(jí)差時(shí)，二鄰近能級(jí)之間就有共振躍遷，我們稱之為電子順磁共振。當(dāng)原子結(jié)合成分子或固體時(shí)，由于電子軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量常是猝滅的，即近似為零，所以分子和固體中的磁矩主要是電子自旋磁矩的貢獻(xiàn)。根據(jù)泡利原理，一個(gè)電子軌道最多只能容納兩個(gè)自旋相反的電子，若電子軌道都被電子成對(duì)地填滿了，它們的自旋磁矩相互抵消，便沒(méi)有固有磁矩。通常所見(jiàn)的化合物大多數(shù)屬于這種情況，因而電子順磁共振只能研究具有未成對(duì)電子的特殊化合物。（3）弛豫時(shí)間實(shí)驗(yàn)樣品是含有大量具有不成對(duì)電子自旋所組成的系統(tǒng)，雖然各個(gè)粒子都具有磁矩，但是在熱運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)下，取向是混亂的，對(duì)外的合磁矩為零。當(dāng)自旋系統(tǒng)處在恒定的外磁場(chǎng)H0中時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的磁矩便以不同的角度取向磁場(chǎng)H0的方向，并繞著外場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)，從而形成一個(gè)與外磁場(chǎng)方向一致的宏觀磁矩M。當(dāng)熱平衡時(shí)，分布在各能級(jí)上的粒子數(shù)服從波耳茲曼定律，即：式中k是波耳茲曼常數(shù)，k=1.380310-16（爾格/度），T是絕對(duì)溫度。計(jì)算表明，低能級(jí)上的粒子數(shù)略比高能級(jí)上的粒子數(shù)多幾個(gè)。這說(shuō)明要現(xiàn)實(shí)出宏觀的共振吸收現(xiàn)象所必要的條件，既由低能態(tài)向高能級(jí)躍遷的粒子數(shù)比由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷的粒子數(shù)要多是滿足的。正是這一微弱的上下能級(jí)粒子數(shù)之差提供了我們觀測(cè)電子順磁共振現(xiàn)象的可能性。二、實(shí)驗(yàn)裝置微波順磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三厘米固態(tài)信號(hào)發(fā)生器，隔離器，可變衰減器，波長(zhǎng)計(jì)，魔T，匹配負(fù)載，單螺調(diào)配器，晶體檢波器，矩形樣品諧振腔，耦合片，磁共振實(shí)驗(yàn)儀，電磁鐵等組成，為使聯(lián)結(jié)方便，增加了H面彎波導(dǎo)，波導(dǎo)支架等元件。（1）三厘米固態(tài)信號(hào)發(fā)生器：是一種使用體效應(yīng)管做振蕩源的信號(hào)發(fā)生器，為順磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供微波振蕩信號(hào)。（2）隔離器：位于磁場(chǎng)中的某些鐵氧體材料對(duì)于來(lái)自不同方向的電磁波有著不同的吸收，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)，可使其哦對(duì)微波具有單方向傳播的特性。隔離器常用于振蕩器與負(fù)載之間，起隔離和單向傳輸作用。（3）可變衰減器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直與矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管即成，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動(dòng)吸收可改變衰減量的大小。衰減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率以及去耦合的作用。（4）波長(zhǎng)表：電磁波通過(guò)耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計(jì)的空腔中，當(dāng)頻率計(jì)的腔體失諧時(shí)，腔里的電磁場(chǎng)極為微弱，此時(shí)，它基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時(shí)，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過(guò)波導(dǎo)中的電磁波信號(hào)強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時(shí)的刻度，通過(guò)查表可得知輸入微波諧振頻率。（5）匹配負(fù)載：波導(dǎo)中裝有很好地吸收微波能量的電阻片或吸收材料，它幾乎能全部吸收入射功率。（6）微波源：微波源可采用反射式速調(diào)管微波源或固態(tài)微波源。本實(shí)驗(yàn)采用3cm固態(tài)微波源，它具有壽命長(zhǎng)、輸出頻率較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，用其作微波源時(shí)，ESR的實(shí)驗(yàn)裝置比采用速調(diào)管簡(jiǎn)單。因此固態(tài)微波源目前使用比較廣泛。通過(guò)調(diào)節(jié)固態(tài)微波源諧振腔中心位置的調(diào)諧螺釘，可使諧振腔固有頻率發(fā)生變化。調(diào)節(jié)二極管的工作電流或諧振腔前法蘭盤中心處的調(diào)配螺釘可改變微波輸出功率。（7）魔 T：魔 T是一個(gè)具有與低頻電橋相類似特征的微波元器件，如圖（2）所示。它有四個(gè)臂，相當(dāng)于一個(gè)ET和一個(gè)HT組成，故又稱雙T，是一種互易無(wú)損耗四端口網(wǎng)絡(luò)，具有“雙臂隔離，旁臂平分”的特性。利用四端口S矩陣可證明，只要1、4臂同時(shí)調(diào)到匹配，則2、3臂也自動(dòng)獲得匹配；反之亦然。E臂和H臂之間固有隔離，反向臂2、3之間彼此隔離，即從任一臂輸入信號(hào)都不能從相對(duì)臂輸出，只能從旁臂輸出。信號(hào)從H臂輸入，同相等分給2、3臂；E臂輸入則反相等分給2、3臂。由于互易性原理，若信號(hào)從反向臂2，3同相輸入，則E臂得到它們的差信號(hào)，H臂得到它們的和信號(hào)；反之，若2、3臂反相輸入，則E臂得到和信號(hào)，H臂得到差信號(hào)。當(dāng)輸出的微波信號(hào)經(jīng)隔離器、衰減器進(jìn)入魔 T的H臂，同相等分給2、3臂，而不能進(jìn)入E臂。3臂接單螺調(diào)配器和終端負(fù)載；2臂接可調(diào)的反射式矩形樣品諧振腔，樣品DPPH在腔內(nèi)的位置可調(diào)整。E臂接隔離器和晶體檢波器；2、3臂的反射信號(hào)只能等分給E、H臂，當(dāng)3臂匹配時(shí)，E臂上微波功率僅取自于2臂的反射。（8）樣品腔：樣品腔結(jié)構(gòu)，是一個(gè)反射式終端活塞可調(diào)的矩型諧振腔。諧振腔的末端是可移動(dòng)的活塞，調(diào)節(jié)活塞位置，使腔長(zhǎng)度等于半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍（）時(shí)，諧振腔諧振。當(dāng)諧振腔諧振時(shí)，電磁場(chǎng)沿諧振腔長(zhǎng)l方向出現(xiàn)P個(gè)長(zhǎng)度為的駐立半波，即TE模式。腔內(nèi)閉合磁力線平行于波導(dǎo)寬壁，且同一駐立半波磁力線的方向相同、相鄰駐立半波磁力線的方向相反。在相鄰兩駐立半波空間交界處，微波磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，微波電場(chǎng)最弱。滿足樣品磁共振吸收強(qiáng)，非共振的介質(zhì)損耗小的要求，所以，是放置樣品最理想的位置。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)使外加恒定磁場(chǎng)B垂直于波導(dǎo)寬邊，以滿足ESR共振條件的要求。樣品腔的寬邊正中開(kāi)有一條窄槽，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置可使樣品處于諧振腔中的任何位置并可以從窄邊上的刻度直接讀數(shù)，調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)或移動(dòng)樣品的位置，可測(cè)出波導(dǎo)波長(zhǎng)。三、實(shí)驗(yàn)步驟（1）連接系統(tǒng),將可變衰減器順時(shí)針旋至最大, 開(kāi)啟系統(tǒng)中各儀器的電源,預(yù)熱20分鐘。（2）按使用說(shuō)明書調(diào)節(jié)各儀器至工作狀態(tài)。（3）調(diào)節(jié)微波橋路，用波長(zhǎng)表測(cè)定微波信號(hào)的頻率，使諧振腔處于諧振狀態(tài)，將樣品置于交變磁場(chǎng)最強(qiáng)處。（4）調(diào)節(jié)晶體檢波器輸出最靈敏，并由波導(dǎo)波長(zhǎng)的計(jì)算值大體確定諧振腔長(zhǎng)度及樣品所在位置，然后微調(diào)諧振腔的長(zhǎng)度使諧振腔處于諧振狀態(tài)。（5）搜索共振信號(hào)，按下掃場(chǎng)按扭，調(diào)節(jié)掃場(chǎng)旋鈕改變掃場(chǎng)電流，當(dāng)磁場(chǎng)滿足共振條件時(shí)，在示波器上便可看到共振信號(hào)。調(diào)節(jié)儀器使共振信號(hào)幅度最大，波形對(duì)稱。（6）使用高斯計(jì)測(cè)定磁共振儀輸出電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值關(guān)系曲線，確定共振時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。（7）根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算出g因子。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 1.計(jì)算g因子公式：，其中h為普朗克系數(shù)，f為工作頻率，實(shí)驗(yàn)中先讀出波長(zhǎng)計(jì)長(zhǎng)度，再由表格得出，為玻爾磁子，H0為共振磁場(chǎng)，單位是高斯（計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)換為T）波長(zhǎng)計(jì)長(zhǎng)度f(wàn)/MHzH0/Tg3.62938534501.9443.375929532402.053.45927733801.96在計(jì)算中，我們發(fā)現(xiàn)用MHz代入計(jì)算時(shí)可將次冪全部約掉，故可以簡(jiǎn)化計(jì)算，以第一次實(shí)驗(yàn)為例：，以下兩個(gè)用同樣的方法算得。2. 誤差分析 若將預(yù)置的頻率及刻度代入計(jì)算無(wú)任何意義（由于實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)量磁場(chǎng)造成的誤差較大），故此處不做此方面計(jì)算。本次實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)原因造成誤差：1. 實(shí)驗(yàn)儀器及特斯拉計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)造成的不可避免的誤差；2. 讀取長(zhǎng)度時(shí)造成的讀數(shù)誤差；3. 讀數(shù)時(shí)波形未達(dá)到理想所造成的誤差。理論上，本實(shí)驗(yàn)g因子的值為1.952.05，我們?nèi)?進(jìn)行誤差計(jì)算。相對(duì)誤差：5、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)及問(wèn)題解答1.實(shí)驗(yàn)前必須進(jìn)行預(yù)熱（20min）；2.實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)注意調(diào)節(jié)微波橋路（這也是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)，可以在預(yù)置頻率附件緩慢調(diào)節(jié)，待發(fā)現(xiàn)電表偏轉(zhuǎn)時(shí)即緩慢調(diào)節(jié)，直至達(dá)到最小值）；3.單螺調(diào)配器與另一耦合片合作反復(fù)調(diào)節(jié)直至電平信號(hào)達(dá)到0以下使儀器達(dá)到最佳工作狀態(tài)，此步驟是保證能出現(xiàn)理想波形的重要步驟。4.如何調(diào)平魔T？答：首先調(diào)節(jié)諧振腔至某一值，此時(shí)信號(hào)最弱，而后調(diào)節(jié)匹配負(fù)載器繼續(xù)減小，為0則表示已平衡。5. 理想波形為什么有兩個(gè)