微波电子顺磁共振.doc

实验十二 微波电子顺磁共振

前言：
电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年,S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功，Stern和Ger1aok也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)，又称电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance，EPR)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象，这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振，1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测EPR现象。EPR己被成功地应用于顺磁物质的研究，目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子、研究半导体中的杂质和缺陷、离子晶体的结构、金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以，EPR也是一种重要的近代物理实验技术。除了用于基础理论研究外，近来EPR在啤酒、食品油、烟草以及化妆品等行业的质量控制和检测方面也得到了很好的应用。EPR的研究对象是具有不成对电子的物质如(1)具有奇数个电子的原子，象氢原子；(2)内电子壳层未被充满的离子，如过渡族元素的离子；(3)具有奇数个电子的分子，如NO； (4)某些虽不含奇数个电子，但总角动量不为零的分子，如O2 ；(5)在反应过程中或物质因受辐射作用产生的自由基；(6)金属半导体中的未成对电子等等，通过对电子自旋共振波谱的研究，即可得到有关分子、原子或离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关的物理结构和化学键方面的知识。

实验目的：
1．熟悉微波器件的特征和各微波器件的作用以及调节方法。
2．学习微波顺磁共振吸收和色散信号的调节方法。
3．了解如何根据信号源的工作频率估算恒定磁场强度。
4．学会利用特斯拉计测算顺磁样品DPPH中电子的g因子。

实验仪器：

微波电子顺磁共振谱仪主要由电磁铁系统、微波系统及电子检测系统组成
1．电磁铁系统
由电磁铁，励磁电源和调场电源组成，用于产生外磁场B= B0 +B1cos ωt。励磁电源接到电磁铁直流绕组，产生BD通过调整励磁电流改变B0。调场电源接到电磁铁交流绕组，产生B1cos ωt，并经过相移电路接到示波器X轴输入端。
2．微波系统
（1）微波源：由体效应管、变容二极管和频率调节组成，微波源供电电压为12V，发射频率为9.37GHz；
（2）隔离器：具有单向传输功能，只允许微波从输入端进输出端出；
（3）环形器：具有定向传输功能，传输方向决定衰减程度；
（4）晶体检波器：用于检测微波信号，由前置的三个螺钉调配器、晶体管座和末端的短路活塞三部分组成。其核心部分是跨接于矩形波导宽壁中心线上的点接触微波二极管（也叫晶体管检波器），其管轴沿TE10波的最大电场方向，它将拾取到的微波信号整流（检波）。当微波信号是连续波，整流后输出为直流。输出信号由二极管相连的同轴线中心导体引出，接到示波器上。测量时要反复调节波导终端的短路活塞的位置以及输入前端的三个螺钉的穿深度，使检波电流达到最大，以获得较高的测量灵敏度；
（5）阻抗调配器：它是一个双轨臂波导元件，调节E面H面的短路活塞可以改变波导元件的参数。它的主要作用是改变微波系统的负载状态，可以系统调节至匹配状态、容性负载、感性负载等不同状态。这里的主要作用是观察吸收和色散信号；
（6）谐振腔：由矩形波导组成，腔内形成驻波，将样品置于驻波磁场最强的地方才能出现磁共振，微波从腔的一端进入，另一端是一个短路活塞，用来调节腔长，以产生驻波。
3．电子检测系统
（1）示波器：用以显示检测信号；
（2）特斯拉计：用以测量静磁场强度。

实验原理：
原子的磁性来源于原子磁矩。由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的总磁矩由原子中个电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。原子的总磁矩μJ与PJ总角动量之间满足如下关系：

式中μB为波尔磁子，ћ为约化普朗克常量。由上式可知，回磁比（又称磁旋比）

按照量子理论，电子的L－S耦合结果，朗得因子

由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献（L＝0，J＝S），则g＝2。反之，若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献（S=0，J=1），则g＝1。若自旋和轨道磁矩两者都有贡献，则g的值介乎1与2之间。因此，精确测定g的值便可判断电子运动的影响，从而有助于了解原子的结构。
将原子磁矩不为零的顺磁物质置于外磁场B0中，则原子磁矩与外磁场相互作用能为

那么，相邻磁能级之间的能量差

如果垂直于外磁场B0的方向上加一振幅值很小的交变磁场2B1cosωt，当交变磁场的角频率ωt满足共振条件

时，则原子在相邻磁能级之间发生共振跃迁，这种现象称为电子顺磁共振。在顺磁物质中，由于电子受到原子外部电荷的作用，使电子轨道平面发生旋进，电子的轨道角动量量子数L的平均值为0。当作一级近似时，可以认为电子轨道角动量近似为零，因而顺磁物质中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。
在热平衡时，高低能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布

由于磁能级间距很小，ΔE< 0，因此N2号强度越大。因为微波波段的频率比射频波波段高得多，所以微波顺磁共振的信号强度比较大。此外，微波谐振腔具有较高的Q值，因此微波顺磁共振有较高的分辨率。
微波顺磁共振有通过法和反射法。反射法是利用样品所在谐振腔对于入射波的反射状况随着共振的发生而变化，因此，观察反射波的强度变化就可以得到共振信号。
观察磁共振可采用扫场法或扫频法，本实验采用扫场法观察共振信号，即在直流外磁场B0上迭加一个交变调场B1cos ωt，这样样品上的外磁场为B= B0 +B1cos ωt。当磁场扫过共振点，满足

时，发生共振，改变谐振腔的输出功率或反射状况，通过示波器显示共振信号。
本实验的样品为DPPH（Di-Phehcryl Picryl Hydrazal），化学名称是二苯基苦酸基联氨，其分子结构式为(C6H5)2N-NC6H2·(NO2)3，如下图所示，它的第二个氮原子上存在一个未成对电子，构成有机自由基，实验观测的就是这类电子的顺磁共振现象。

操作步骤：
1．将微波系统利用配置的支架放置在适当位置，调节支架高度使系统保持水平，再将放有DPPH样品的部分置于磁铁中央；
2．将微波源的输出与主机后部微波源的电源街头相连，再将电子顺磁共振仪面板上的直流输出与磁铁上的一组线圈的输入相连，扫描输出与磁铁面板上的另一组线圈相连，最后将检波输出与示波器的输入端相连；
3．打开主机和示波器电源开关，将示波器调至直流档；将检波器的输出调至直流最大，再调节短路活塞，使直流输出最小；将示波器调至交流档，并调节直流调节电位器，使得输出信号等间距，观察并记录共振吸收波形；
4．调节检波器和阻抗调配器上的旋钮，观察并记录色散波形；
5．根据信号源频率，估算出恒定外磁场强度，再利用特斯拉计测出实际磁场强度并加以对比，最后由实际磁场强度计算出DPPH样品中电子的g因子。

思考题：
1．从理论上讲，产生磁共振需要加哪几个磁场，它们的作用是什么？
2．顺磁共振信号的强度受哪些因素影响，如何提高信号强度？
3．本实验为何采用微波波段作为信号源？
4．通过利用微波电子顺磁共振谱仪对顺磁物质进行测试研究可以得到哪些重要的物理信息？想想对仪器进行怎样的改进可以提高分辨率？