微波順磁及核磁共振實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告

近代物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告微波順磁共振實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告學(xué)院 數(shù)理與信息工程學(xué)院班級(jí) 光信081班 姓 名 陳亮 學(xué) 號(hào) 08620114 時(shí)間 2011年05月10日

微波順磁共振實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告摘要:電子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。電子自旋共振(ElectronSpinResonance),縮寫為ESR,又稱順磁共振(ParamagneticResonance)0它是指處于恒定磁場(chǎng)中的電子自旋磁矩在射頻電磁場(chǎng)作用下發(fā)生的一種磁能級(jí)間的共振躍遷現(xiàn)象。ESR己成功地被應(yīng)用于順磁物質(zhì)的研究,目前它在化學(xué)、物理、生物和醫(yī)學(xué)等各方面都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。用電子自旋共振方法研究未成對(duì)的電子,可以獲得其它方法不能得到或不能準(zhǔn)確得到的數(shù)據(jù)。如電子所在的位置,游離基所占的百分?jǐn)?shù)等等。關(guān)鍵詞：電子自旋共振共振躍遷應(yīng)用關(guān)鍵詞：電子自旋共振共振躍遷應(yīng)用引言：1925年,S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck用它來解釋某種元素的光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)獲得成功.Stern和Ger1aok也以實(shí)驗(yàn)直接證明了電子自旋磁矩的存在。電子自旋共振(ElectronSpinResonance),縮寫為ESR，又稱順磁共振(ParamagneticResonance)0它是指處于恒定磁場(chǎng)中的電子自旋磁矩在射頻電磁場(chǎng)作用下發(fā)生的一種磁能級(jí)間的共振躍遷現(xiàn)象。這種共振躍遷現(xiàn)象只能發(fā)生在原子的固有磁矩不為零的順磁材料中，稱為電子順磁共振。1944年由前蘇聯(lián)的柴伏依斯基首先發(fā)現(xiàn)。它與核磁共振(NMR)現(xiàn)象十分相似，所以1945年P(guān)urcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR實(shí)驗(yàn)技術(shù)后來也被用來觀測(cè)ESR現(xiàn)象。電子順磁共振基本原理:根據(jù)泡利原理:每個(gè)分子軌道上不能存在兩個(gè)自旋態(tài)相同的電子，因而各個(gè)軌道上已成對(duì)的電子自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩是相互抵消的，只有存在未成對(duì)電子的物質(zhì)才具有永久磁矩，它在外磁場(chǎng)中呈現(xiàn)順磁性。電子自旋產(chǎn)生自旋磁矩Ms=ge卩其中卩是玻爾磁子；ge是無量綱因子，稱為g因子。自由電子的g因子為ge=2.0023單個(gè)電子磁矩在磁場(chǎng)方向分量M=1/2ge卩外磁場(chǎng)H的作用下，只能有兩個(gè)可能的能量狀態(tài)。即E=±1/2gBH，能量差厶E=gpH這種現(xiàn)象稱為塞曼分裂(Zeemansplitting)電子具有：5=^；叫=二+電子自旋磁拒和外磁場(chǎng)的相互作用能：E=—兔鳥若設(shè)外磁場(chǎng)加在Z軸方向上，則有：E=-毘耳=百加』眷共振條件：圧：鳳=爲(wèi)（叫=|）Q：—（-為邸％（叫=-|）E+-E_=（|）gM_（—隔=gM如果在垂直于H的方向上施加頻率為hu的電磁波，當(dāng)滿足下面條件hu=g0H則處于兩能級(jí)間的電子發(fā)生受激躍遷，導(dǎo)致部分處于低能級(jí)中的電子吸收電磁波的能量躍遷到高能級(jí)中。這就是順磁共振現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中受激躍遷產(chǎn)生的吸收信號(hào)經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)處理可得到EPR吸收譜線，EPR波譜儀記錄的吸收信號(hào)一般是一次微分線型，或稱:一次微分譜線。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,開啟系統(tǒng)中各儀器的電源,預(yù)熱20分鐘。2、 將磁共振實(shí)驗(yàn)儀器的旋鈕和按鈕作如下設(shè)置:“磁場(chǎng)”逆時(shí)針調(diào)到最低,“掃場(chǎng)”逆時(shí)針調(diào)到最低，按下“調(diào)平衡/Y軸”按鈕（注：必須按下），“掃場(chǎng)/檢波”按鈕彈起，處于檢波狀態(tài)。（注：切勿同時(shí)按下）。3、 將樣品位置刻度尺置于90mm處,樣品置于磁場(chǎng)正中央。4、 將單螺調(diào)配器的探針逆時(shí)針旋至“0"刻度。5、 信號(hào)源工作于等幅工作狀態(tài),調(diào)節(jié)可變衰減器使調(diào)諧電表有指示，然后調(diào)節(jié)“檢波靈敏度”旋鈕,使磁共振實(shí)驗(yàn)儀的調(diào)諧電表指示占滿度的2/3以上。6、用波長(zhǎng)表測(cè)定微波信號(hào)的頻率,方法是：旋轉(zhuǎn)波長(zhǎng)表的測(cè)微頭，找到電表跌破點(diǎn)，查波長(zhǎng)表——刻度表即可確定振蕩頻率，使振蕩頻率在9370MHz左右，如相差較大,應(yīng)調(diào)節(jié)信號(hào)源的振蕩頻率,使其接近9370MHz的振蕩頻率。測(cè)定完頻率后,將波長(zhǎng)表旋開諧振點(diǎn)。7、為使樣品諧振腔對(duì)微波信號(hào)諧振，調(diào)節(jié)樣品諧振腔的可調(diào)終端活塞，使調(diào)諧電表指示最小，此時(shí)，樣品諧振腔中的駐波分布如圖7-4-5所示。圖7-4-5樣品諧振腔中的駐波分布示意圖8、 為了提高系統(tǒng)的靈敏度，可減小可變衰減器的衰減量，使調(diào)諧電表顯示盡可能提高。然后，調(diào)節(jié)魔T另一支臂單螺調(diào)配器探針，使調(diào)諧電表指示更小。若磁共振儀電表指示太小，可調(diào)節(jié)靈敏度，使指示增大。9、 按下“掃場(chǎng)”按鈕。此時(shí)調(diào)諧電表指示為掃場(chǎng)電流的相對(duì)指示，調(diào)節(jié)“掃場(chǎng)”旋鈕使電表指示在滿度的一半左右。10、由小到大調(diào)節(jié)恒磁場(chǎng)電流，當(dāng)電流達(dá)到1.7到2.1A之間時(shí)，示波器上即可出現(xiàn)如圖7-4-6所示的電子共振信號(hào)圖7-4-611、 若共振波形值較小,或示波器圖形顯示欠佳，可采用以下方法：（1） 將可變衰器反時(shí)針旋轉(zhuǎn),減小衰減量，增大微波功率。（2） 正時(shí)針調(diào)節(jié)“掃場(chǎng)”旋鈕,加大掃場(chǎng)電流。（3） 提高示波器的靈敏度。（4） 調(diào)節(jié)微波信號(hào)源震蕩腔法蘭盤上的調(diào)節(jié)釘，可加大微波輸出功率。12、 若共振波形左右不對(duì)稱,調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器的深度及左右位置,或改變樣品在磁場(chǎng)中的位置，通過微調(diào)樣品諧振腔可是共振波形成為圖5（a）所示的波形。13、 若出現(xiàn)圖5（b）的雙峰波形，調(diào)節(jié)“調(diào)相"旋鈕即可使雙峰波形重合。14、用高斯計(jì)測(cè)得外磁場(chǎng)B0，用公式（2）計(jì)算g因子（g因子一般在1.95到2.05之間）.核磁共振實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告摘要：核磁共振已在眾多的領(lǐng)域中有了十分廣泛的應(yīng)用。早期，核磁共振主要是用于對(duì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究，如測(cè)量磁矩、電偶極矩及核自旋等，后來則廣泛用于分子（如有機(jī)分子、生物大分子等）組成和結(jié)構(gòu)的分析、生物組織與活體組織的分析、病理分析、醫(yī)療診斷、產(chǎn)品無損檢測(cè)等方面，并可用來觀測(cè)一些動(dòng)態(tài)過程（如化學(xué)反應(yīng)、生化過程等）的變化。從技術(shù)手段上來說，核磁共振的應(yīng)用主要由兩方面，即核磁共振波譜的應(yīng)用以及近年發(fā)展起來的核磁共振成象的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：核磁共振核磁共振波譜核磁共振成象引言：鐵磁共振（FerromagnetioResonance—FMR）與核磁共振、電子自選一樣，也是喜愛年代研究物質(zhì)宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的有效工具。FMR還是微波鐵氧體物理學(xué)的基礎(chǔ)；它在磁學(xué)、固體物理中占有重要的地位。實(shí)驗(yàn)原理：FMR所測(cè)的對(duì)象與ESR觀測(cè)對(duì)象相同，都是未偶自旋電子，隸屬電子自旋磁共振。不同的是，在鐵磁性物質(zhì)中，存在著電子自旋之間的強(qiáng)耦合作用所形成的許多取向一致的微小自發(fā)磁化區(qū)（約1015個(gè)原子） 磁疇。在外磁場(chǎng)的作用下，各個(gè)磁疇趨向外磁場(chǎng)方向，表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性，故所用樣品很小。觀測(cè)的FMR現(xiàn)象，反映的更多的是鐵磁性物質(zhì)的宏觀性能，F(xiàn)MR現(xiàn)象是樣品磁疇的集體體現(xiàn)。鐵磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度矢量ST在外礦場(chǎng)b中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程式中豆=瓦+哥員號(hào)表示時(shí)繞日作右旋進(jìn)動(dòng)。『□是物質(zhì)內(nèi)部對(duì)時(shí)產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩。對(duì)（1）式求解，可得到FMR條件:卩是波爾磁子，?是微波磁場(chǎng)的圓頻率，Br稱為共振磁場(chǎng)。TD所代表的阻尼轉(zhuǎn)B0D矩是一個(gè)微觀能量轉(zhuǎn)化的過程，阻尼的大小反應(yīng)共振系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)能量的快慢程度。由于磁導(dǎo)率口與磁化率X之間有如下關(guān)系：X取復(fù)數(shù)形式口=1+4砒所以M也為復(fù)數(shù)，稱為復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率―吟何 3）實(shí)部p‘為鐵磁性物質(zhì)在恒定磁場(chǎng)B0中的磁導(dǎo)率，它決定磁性材料中貯存的磁能（=p'B02）；虛部p“則反應(yīng)腳邊磁場(chǎng)能在磁性材料中的損耗。鐵氧體在恒磁場(chǎng)B0和微波磁場(chǎng)B1同時(shí)作用下，當(dāng)微波頻率固定不變時(shí)，p'隨H0的變化關(guān)系類似圖1a所示的曲線（又叫頻散曲線），p''隨B0變化的關(guān)系曲線類似圖lb,稱為吸收曲線。M'、p”隨B0變化的實(shí)