电子自旋共振

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： 电子自旋共振（微波）

【实验目的】

1．了解电子自旋共振波谱的微波系统，熟悉一些微波器件的使用方法。

2．通过对DPPH自由基中电子自旋共振谱线的观察，了解电子自旋共振现象及共振特征。

【预习问题】

1．什么是电子自旋共振?

2．微波段电子自旋共振如何实现？ 3．如何测量朗德因子？

【实验原理】

一．原子的自旋磁矩

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

pS?S?S?1?? （B3-1）

e??????gpS?S2me????g?S?S?1?B?S （B3-2）

?B?玻尔磁子

e?J(J?1)?L(L?1)?S(S?1)g?1?2me，2J(J?1) （B3-3）

二．电子自旋共振

电子自旋磁矩在外恒磁场的作用下会发生拉莫尔进动，受到材料内部阻尼作用的影响，幅度会逐渐减小，最后磁矩将停留在外磁场的方向上。如果在加外磁场的同时，在垂直于外磁场的方向加一个微波场，当微波的频率与磁矩进动的频率一致的时候，微波能量将被强烈吸收，这就是共振现象。共振是指在某一特定外磁场作用下，微波场与磁矩间相互作用而发生塞曼能级间的感应跃迁。

当存在外磁场时，电子的磁矩与外磁场B0的相互作用能为

?E??S?B0??SzB0 （B3-4）

?上式中

?Sz为磁矩在外磁场方向上的分量，

?Sz?g （B3-5）

eMz??gMz?B2me

式中

Mz??12。分裂的能级为

1?E?g?B??a2B0??Eb??1g?BB0?2 ?

（B3-6） 能级间的能量差为

?E?g?BB0 （B3-7）

根据磁共振原理，如果在垂直于B0的平面内施加一个角频率等于ω0（频率为?）的交变磁场B1，当满足条件

?0??h???E?g?BB0 （B3-8）

时，电子就会吸收此交变磁场的能量，实现能级间的跃迁，这就是电子自旋共振现象。设

??eg2me为电子的旋磁比，式（B3-8）可以写为一个等效的式子

?0??B0 （B3-9）

三．g因子

正如以上所描述的，g因子不仅反映了原子或者离子晶体中电子自旋—轨道相互作用的大小，也反映了塞曼能级分裂的宽度，在本质上显示局部磁场的特征。

四．线宽、弛豫作用

实际上样品是一个含有大量不成对的电子自旋所组成的系统，它们在磁场中只分裂为二个塞曼能级。在热平衡时，分布于各塞曼能级上的粒子数服从波耳兹曼分布，即使粒子数因感应辐射由高能级跃迁到低能级的概率和因感应吸收由低能级跃迁到高能级的概率相等，但由于低能级的粒子数比高能级的多，也是感应吸收占优势，从而为观测样品的磁共振吸收信号提供可能性。随着高低能级上粒子数差减小至趋于零，则看不到共振现象，即所谓饱和。但实际上共振现象仍可继续发生，这是弛豫过程在起作用，弛豫过程使整个系统有恢复到玻耳兹曼分布的趋势。两种作用的综合效应，使自旋系统达到动态平衡，电子自旋共振现象就能维持下去。

电子自旋共振有两种弛豫过程，一是电子自旋与晶格交换能量，使得处在高能级的粒子

把一部分能量传给晶格，从而返回低能级，这种作用称为自旋—晶格弛豫，由自旋—晶格弛豫时间

T1表征。二是自旋粒子相互之间交换能量，使它们的旋进相位趋于随机分布，这种

T2表征。弛豫过程越快，谱线就越宽，

作用称自旋—自旋弛豫，由自旋—自旋弛豫时间用

因此线宽可以看作是弛豫强弱的度量。对大多数自由基来说，起作用的主要是后者，因而这个效应造成共振谱线展宽，

T2与谱线的共振线宽?h(半高宽)有如下关系

T2?2??h （B3-10）

【实验装置】

微波系统、磁场系统（主磁场、扫场）、波导元件

【实验内容】

实验前，先开启测量系统中各仪器的电源，预热30分钟。预热时使固体信号源处于“等幅”工作状态；将磁共振实验仪器的旋钮和按钮作如下设置：“磁场”逆时针调到最低，“扫场”逆时针调到最低，“扫场/检波”按钮按下，处于检波状态。

一．观察反射式谐振腔的谐振特性，测量腔的谐振频率f0

1．将样品位置刻度尺置于90mm处，样品置于磁场正中央。 2．将单螺调配器的探针顺时针旋至“0”刻度，此时探针深度最大。

3．调节可变衰减器使调谐电表有指示，然后调节“检波灵敏度”旋钮, 使磁共振实验仪的调谐电表指示占满度的2/3以上。

4．调节振荡器上的测微头，使振荡器的输出频率大约在9000MHz附近（用“频率—测微器刻度对照表”简单测定），这时相应的检波电流输出接近最大。

5．为了提高系统的灵敏度，可减小可变衰减器的衰减量，使调谐电表显示尽可能提高。然后，调节单螺调配器探针，使调谐电表指示最小。若磁共振仪电表指示太小，可调节灵敏度，使指示增大。以上过程可以反复调节，当谐振电表指示变化很小时，可以调节样品谐振腔的可调终端活塞，使调谐电表指示更小。当调谐电表指示最小时，检波电流接近于零，此时魔T的2臂和3臂上的负载接近对称，反射式谐振腔发生谐振，微波信号的频率与腔的频率

f0一致。

f0，方法是：旋转波长表的测微头，找到电表跌破点，查

用波长表测定腔的谐振频率

波长表—刻度表即可确定振荡频率。测定完频率后，将波长表旋开谐振点。

二．观察DPPH自由基的电子共振信号，测量相应的自旋共振场B0，并确定自由基的g因子和旋磁比

1．按起“扫场”按钮。此时调谐电表指示为扫场电流的相对指示，调节“扫场”旋钮使电表指示在满度的一半左右。

2．由小到大调节恒磁场电流，当电流达到1.7到2.1A之间时，示波器上即可出现电子共振信号。

3．调节恒磁场电流，使电子共振信号等间隔，此时对应的磁场就是共振场拉计测得外磁场

B0，用特斯

B0，计算g因子和旋磁比?。

三．观察单螺调配器在不同位置时的点子自旋共振信号，计算微波频率

1.认真调节单螺调配器位置，在示波器上依次观察B5-7所示各种信号，并记录单螺调配器的坐标位置，根据?g?2*|x1-x5|计算波导波长

?g，并进一步计算样品谐振腔长度、

微波在自由空间的波长，及微波频率。将计算的微波频率与频率计读数进行比较。

【注意事项】

1．样品应放在磁场的正中间。

2．若共振波形值较小，或示波器图形显示欠佳，可采用以下方法： （1）将可变衰器反时针旋转，减小衰减量。 （2）正时针调节“扫场”旋钮，加大扫场电流。 （3）提高示波器的灵敏度。

3．若共振波形左右不对称，调节单螺调配器的深度及左右位置，或略改变样品在磁场中的位置。

【实验数据处理】

1. 计算DPPH的朗德因子g。

表1.磁铁间隙磁感应强度测量表

B0/mT 369.7 358.2 355.2

358.0 365.2 1B0?*(369.7?358.2?355.2?358.0?365.2)?361.26mT5?E??0??2?f??g?BB0

2πfh?2πf?c?guBc

B0g?hv/?BB0?1.84226