中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：
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实验7-2 微波法测电子自旋共振实验
【实验目的】
1、 了解电子自旋共振理论
2、 掌握电子自旋共振的实验方法
3、 测定DPPH 自由基中电子的g 因子和共振线宽
【实验原理】
1、电子自旋共振基础
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
() 1+=
S S p S （7-2-1）
其中S 是电子自旋量子数，2/1=S 。
电子的自旋角动量S p
与自旋磁矩S μ
间的关系为
()
?
???
?+=-=12S S g p m e g B S S e S
μμμ
（7-2-2） 其中：e m 为电子质量；e
B m e 2 =
μ，称为玻尔磁子；g 为电子的朗德因子，具体表示为
)
1(2)
1()1()1(1++++-++
=J J S S L L J J g （7-2-3）
J 和L 为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数，S L J ±=。对于单电子原子，原子 的角动量和磁矩由单个电子决定；对于多电子原子，原子的角动量和磁矩由价电子决定。含有单电 子或未偶电子的原子处于基态时，L=0，J=S=1/2，即原子的角动量和磁矩等价于单个电子的自旋角 动量和自旋磁矩。
设g m e e
2=
γ为电子的旋磁比，则
S S p γμ= （7-2-4）
电子自旋磁矩在外磁场B （z 轴方向）的作用下，会发生进动，进动角频率ω为
B γω= （7-2-5） 由于电子的自旋角动量S p 的空间取向是量子化的，在z 方向上只能取
m p z
S
= （S S S S m -+--=,1,,1, ）
m 表示电子的磁量子数，由于S =1/2，所以m 可取±1/2。电子的磁矩与外磁场B 的相互作用能为
B B B E z S S
γμμ2
1
±==?= （7-2-6）
相邻塞曼能级间的能量差为
B g B E B μγω===? （7-2-7）
如果在垂直于B 的平面内加横向电磁波，并且横向电磁波的量子能量 ω正好与△E 相等时，即满足电子自旋共振条件时，则电子将吸收此旋转磁场的能量，实现能级间的跃迁，即发生电子自旋共振。
2、实验装置及原理
本实验采用的微波段电子自旋共振实验装置如图7-2-1所示，由永磁铁、X 波段（8.5~10.7GHz ）3㎝ 固态微波源、3㎝ 微波波导元件、样品谐振腔、微波电子自旋共振仪和示波器等六分组成。图7-2-2所示为微波电子自旋共振仪的控制面板。
本实验用的样品是含有自由基的有机物DPPH ，因为它有非常强的共振吸收，即使只有几毫特的磁场（对应的几十兆赫的射频波段），也能观察到明显的共振吸收信号，因此将它作为电子自旋共振实验的一种标准样品。其分子式为3226266)()(NO H NC N H C -，结构式如图7-2-3所示。它的一个氮原子上有一个未成对的电子，构成有机自由基，实验表明，自由基的 g 值（公认的DPPH 的g 值为2.0038）十分接近自由电子的g 值（2.0023）。
图7-2-3 DPPH 的结构
3㎝固态微波源由耿氏二极管（一种体效应管）、变容二极管和矩形波导谐振腔等组成，其振荡频率可通过改变变容二极管的偏压进行电调谐，也可用螺丝钉在外部进行机械调谐。使用微波源时，要特别注意耿氏二极管和变容二极管工作电压的极性及范围，在连接线路和调节时，必须按说明书进行，以免造成损坏。
图7-2-1 微波段电子自旋共振实验装置框图
图7-2-2 微波电子自旋共振仪
由微波源产生的微波信号经隔离器和环行器等传输到样品谐振腔。
隔离器可以阻断微波传输回路中的反射波进入微波源，以免影响微波源的稳定。环行器则是一种单向传输装置，仅允许微波信号沿特定的环向传输，在有的微波传输装置中，利用魔T 和双T 等波导元件进行组合来替代环行器。样品谐振腔是安放测试样品的微波谐振腔，为微波段电子自旋共振仪的心脏，样品中产生电子自旋共振所需要的微波能量就是由微波源通过它提供的。在本实验装置中使用的样品谐振腔是矩形反射式谐振腔，它是由宽边为a 、窄边为b 、长度为l ，两端用金属片封闭的一段矩形波导管构成。在一端的金属片上开有一小孔（耦合孔），外部微波从该孔输入，而腔内微波从该孔反射出去。当l 满足一定条件时，腔内形成驻波，发生谐振。发生谐振时，腔内只存在特定的电磁场分布（即振荡模式），磁场与电场能量相互全部转换，既不从外部吸收能量，也不向外部辐射能量。由于标准的矩形波导一般设计成只能传输横电波，所以不妨将该振荡模式表示为mnp TE ，其中整数m 、n 、p 分别为沿宽边、窄边和腔长方向分布的驻立半波数。对于比较简单的
p TE 10波，如果腔内是真空或空气介质时，计算表明，当
2
g p
l λ= ,2,1=p （7-2-8）
时，发生谐振。其中
2
1???
? ??-=
c
g λ
λ
λ
λ （7-2-9）
称为波导波长。式中f c /=λ是微波在自由空间的波长，a c 2=λ是截止或临界波长。由此可进一步得谐振波长0λ和谐振频率0ν为
2
2
012??
? ??+??? ??=
l p a λ 00/λνc = （7-2-10）
谐振波长0λ、谐振频率0ν和腔的形状、体积、波形及腔内介质性质等有关。 样品置于谐振腔中微波磁场H mw （在微波技术中，一般用H 而不是B 表示磁场）的最大处，使其处于相互垂直的稳恒磁场B 0和微波磁场H mw 中，与谐振腔一起构成谐振系统，如图7-2-4所示。当满足共振条件，即微波磁场H mw 角频率等于0B γ时，样品从微波磁场中吸收能量，破坏谐振状态，造成样品谐振腔的微波反射，反射的微波经环行器进入晶体检波器，由晶体检波器检出形成共振信号。考虑到发生共振时，样品谐振腔内能量下降，为了保证谐振能够持续，必须从外部微波场中补充能量，这就要求外部微波场的
频率应等于样品谐振腔的谐振频率。
由晶体检波器形成的共振信号分为两路，一路直接传输到示波器的y 1（CH1），而另一路则经微分和放大后接到示波器的y 2（CH2）
。系统中的单螺调配器作为样品谐振腔的负载时，与短路活塞（位于晶体检波器后）一起用于调节谐振腔的工作状态。实验时，在共振条件附近，仔细反复调节单螺调配器、短路活塞及晶体检波器，可以得到峰形尖锐、信噪比好的不同类型的共振信号，如图7-2-9所示。之所以会产生这种情况，可以从样品谐振腔耦合系数β的变化中得到简单解释。分析表明，检波晶体在线性检波状态下，最佳耦合条件为临界耦合（β=1），由于
1
1+-=
Γββ
所以样品谐振腔谐振时的反射系数Γ为零，即样品谐振腔与波导完全匹配。当发生共振时，样品吸收微波磁场能量，腔内损耗增加，从而导致样品谐振腔固有品质因数的下降，使β<1，样品谐振腔从临界耦合转变为弱耦合，产生部分反射，形成共振吸收信号，如图7-2-5中（c ）。从另一个角度看，如果样品谐振腔由过耦合（β>1，偏离共振时腔内损耗减小）因发生共振转变为临界耦合，同样也会形成共振吸收信号，只是信号的方向相反，如图7-2-5中（a ）和（e ）。而在这两种吸收信号之间，也就相应存在两种不同方向的色散信号，如图7-2-5中（b ）和（d ）
。
图7-2-5 DPPH 的吸收与色散信号
由于实验装置中使用了微分放大器，所以，我们还可以在示波器上观察到微分放大信号，并由此可以判别共振谱线的线型。具体做法是：对于微分后的吸收曲线，如图7-2-6所示，计算峰两侧曲线最大斜率比k B /k A （或B ˊ/A ˊ），若等于4，为洛仑兹型，若等于2.2，则为高斯型。
图7-2-4 样品放置图
图7-2-6 微分斜率法判定线型
【实验装置】
电子自旋共振实验装置包括永磁铁（或电磁铁）、扫场电源和扫场线圈、边限振荡器、检波器、探头及样品、移相器、频率计、示波器等。
【实验内容】
（1）打开电源，慢慢调节耿氏二极管及变容二极管工作电压（分别为10V 和2V ），预热10~15min ，使微波源工作稳定。
（2）首先，仔细反复调节单螺调配器、短路活塞及晶体检波器，在示波器上观察到峰形尖锐、信噪比好的共振信号，然后，调节永磁铁转轮，使共振信号等间隔，再由频率计测量此时微波频率，用特斯拉计测量磁铁间隙磁感应强度，依据（7-2-7）式计算DPPH 的朗德因子g 。
（3）认真调节单螺调配器位置，在示波器上依次观察图7-2-4所示的各种共振信号，并记录单螺调配器的坐标位置（54321,,,,x x x x x ），根据
152x x g -=λ
计算波导波长g λ，并进一步计算样品谐振腔长度、微波在自由空间的波长，以及微波频率（已知波导宽边长度a=2.3㎝）。将计算的微波频率与频率计读数进行比较。
（4）判定DPPH 的共振吸收信号的线型。
【注意事项】
1 调节磁铁转轮时，幅度要小，以免共振信号消失。
2 调节单螺调配器、短路活塞及晶体检波器时，动作要轻，防止损坏波导元件。
【数据记录及处理】
1、 通过测量计算DPPH 的朗德因子g 。
表1磁感应强度测量表
磁感应强度mT 315.0
313.2 313.7
平均mT
314
频率测量结果为9376MHz
通过公式B g B E B μγω===? 代入上述数据可以计算出 g=ωη/μB B=υh/μB B=9376×106
Hz ×6.626075×10
—34
Js ÷（9.2741×10
—24
J/T ×0.314T ）
=2.141
2、 测量并计算波导波长、谐振腔长度、微波在自由空间的波长以及微波频率。
表2 当示波器出现7-2-9所示的各种信号时候单螺调配器的坐标位置
不同位置时的图像如下所示：
位置为1x 时的图像 位置为2x 时的图像
位置为3x 时的图像 位置为4x 时的图像
位置为5x 时的图像
波导波长152x x g -=λ=2（22.6—3.2）mm=38.8mm
谐振腔长度l=p λg/2=19.4p （mm ） p=1,2,3….
x1
x2
x3 x4 x5 坐标位置mm
3.2
9.0 16.6 19.1 22.6
微波在自由空间波长由2
1???
? ??-=
c
g λ
λλ
λ 带入数据并计算可以得出
λ=29.658mm
微波在谐振腔内的波长2
2
012??
?
??+??? ??=
l p a λ由于a 已知p/l=2/λg 也已知带入数
据可以计算出λ0=29.658mm
频率00/λνc ==2.998×108×103mms -1÷29.3658mm=1.021×1010Hz=1021MHz 频率计读数为9376MHz 。相对误差为： 10210
9376
100%100%
8.9%
9376
r E E E E --=
?=
?=理
实理
由于实验仪器的精度问题，和人工调节的原因，虽然误差相对较大，但也可以近似的认为
实验结果正确。 【实验总结】
我们通过实验可以更进一步的了解电子自旋共振的知识，通过磁感应强度与g 因子的关系计算g 因子。实验的难点是对实验仪器的调节，在调节的过程中要有耐心而且要按照正确的方法循序渐进的调节直到示波器上能看到正确的稳定的共振信号。通过实验我们也可以看到实验的过程比较简单所以本次的实验重点是认识实验仪器了解各个部件的主要功能并且学会调节实验仪器让样本达到共振的条件。另外我们也要学会对各个图像进行解析。
电子自旋共振 摘要：电子自旋共振是近代物理学的一个重要发现，该现象目前已经被广泛的应用。本文主要介绍基于FD-ESR-C 型微波电子自旋共振实验仪的实验原理、实验装置、实验方法、实验步骤等。 关键词：近代物理实验；微波；电子自旋共振；g 因子； 【1】引言 电子顺磁共振（电子自旋共振）是1944年由前苏联的扎伏伊斯基首先观察到的。它是指电子自旋磁矩在磁场中受到响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。这种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，电子顺磁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。这种方法具有有很高的灵敏度和分辨率，能深入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。本实验要求观察电子自旋共振现象，测量DPPH 中电子的g 因子。 【2】实验原理 本实验采用含有自由基的有机物“DPPH ”，其分子式为 3226256)()NO H NC N H C ，称为“二苯基苦 酸基联氨”，其结构式如图所示：在第二个氮 原子上存在一个未成对电子——自由基，ESR 就是观测该电子的自旋共振现象。对于这种“自 由电子”没有轨道磁矩，只有自旋磁矩，因此实验中观察到的共振现象为ESR ，也就是电子自旋共振。这里需要指出这种“自由电子”也并不是完全自由的，它的 e g 值为(2.0023±0.0002)，DPPH 的ESR 信号很强，其e g 值常用作测量其值
接近
2.00的样品的一个标准信号，通过对各种顺磁物质的共振吸收谱线e g 因子的测量，可以精确测量电子能级的差异，从而获得原子结构的信息。 自由电子的自旋磁矩和外加恒定磁场 B 0相互作用将使基态能级发生分裂 , 2 个能级之间的能量差ΔE 与外加磁场 B 0 的大小成正比: 0B B μ g = E Δ （1） 式中g 的值是Lande 因子或劈裂因子。完全自由电子的 g 值是 2.00232 , 为一个无量纲的常量。he/4πe =μB 是Bohr 磁子。若在垂直于静磁场的方向加一个频率为ν的微波交变磁场 , 当微波频率ν与直流静磁场 B 0 满足关系式： g μ = E Δ =h νB0B （2） 时 , 将有少量处于低能级上的电子从微波磁场吸收能量，跃迁到高能级上去。这种现象称之为电子自旋共振或电子顺磁共振，式 ( 2 ) 称为共振条件 . 由式 ( 2 ) 得到： B /μh =g 0B (3) 可见 g 因子的测量精度决定于微波频率和共振磁场的准确测量。 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： （4） 其中S 是电子自旋量子数，S=1/2。 电子的自旋角动量P S 与自旋磁矩S μ间的关系为 （5） 其中：m e 为电子质量；g 的具体表达式为： （6）
微波段电子自旋共振实验 电子自旋共振（ESR ）谱仪是根据电子自旋磁矩在磁场中的运动与外部高频电磁场相互作用，对电磁波共振吸收的原理而设计的。因为电子本身运动受物质微观结构的影响，所以电子自旋共振成为观察物质结构及其运动状态的一种手段。又因为电子自旋共振谱仪具有极高的灵敏度，并且观测时对样品没有破坏作用，所以电子自旋共振谱仪被广泛应用于物理、化学、生物和医学生命领域。 一. 实验目的 1. 本实验的目的是在了解电子自旋共振原理的基础上，学习用微波频段检测电子自旋共振信号的方法。 2. 通过有机自由基DPPH 的g 值和EPR 谱线共振线宽并测出DPPH 的共振频率，算出共振磁场，与特斯拉计测量的磁场对比。 3. 了解、掌握微波仪器和器件的应用。 4. 学习利用锁相放大器进行小信号测量的方法。 二. 实验原理 具有未成对电子的物质置于静磁场B 中，由于电子的自旋磁矩与外部磁场相互作用，导致电子的基态发生塞曼能级分裂，当在垂直于静磁场方向上所加横向电磁波的量子能量等于塞曼分裂所需要的能量，即满足共振条件B ?=γω，此时未成对电子发生能级跃迁。 Bloch 根据经典理论力学和部分量子力学的概念推导出Bloch 方程。Feynman 、Vernon 、Hellwarth 在推导二能级原子系统与电磁场作用时，从基本的薛定谔方程出发得到与Bloch 方程完全相同的结果，从而得出Bloch 方程适用于一切能级跃迁的理论，这种理论被称之为FVH 表象。 原子核具有磁矩： L ?=γμ； （1） γ称为回旋比，是一个参数；L 表示自旋的角动量； 原子核在磁场中受到力矩： B M ?=μ； （2）
微波电子自旋共振 【摘要】本文通过电子自旋共振实验，解释恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场 的作用下会发生磁能级间的共振跃迁现象。 一、引言 电子自旋的概念首先由Pauli于1924年提出。而电子自旋共振实验则是从1945年开始才发展起来的一项新技术。 电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子、内电子壳层未被充满的离子、受辐射作用产生的自由基及半导体、金属等。通过共振谱线的研究，可以获得有关分子、原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关物质结构和化学键的信息，故电子自旋共振是一种重要的近代物理实验技术，在物理、化学、生物、医学等领域有广泛用途。 “自旋”概念的明确提出：1925年，两位年轻的荷兰学生乌伦贝克和哥德斯密特，“为了解释反常塞曼效应”，受泡利不相容原理的启发，明确提出了电子具有自旋的概念，并证明了“自旋”就是泡利提出的“新自由度”。1926年，海森伯和约旦引进自旋S，用量子力学理论对反常塞曼效应作出了正确的计算。1927年，泡利引入了泡利矩阵作为自旋操作符号的基础，引发了保罗-狄拉克发现描述相对论电子的狄拉克方程式。 电子自旋共振(ESR，Electron Spin Resonance)是一种奇妙的实验现象，也被称为电子顺磁共振(EPR，Electron Paramagnetic Resonance)。它利用具有未偶电子的物质在外加恒定磁场作用下对电磁波的共振吸收特性，来探测物质中的未偶电子，研究其与周围环境的相互作用，从而获得有关物质微观结构的信息。电子自旋共振现象直到1944年才由苏联喀山大学的扎沃伊斯基(E.K.Зabouchuǔ)在实验中观察到。 二、实验原理 1、量子力学解释 μ的关系为： 电子具有自旋，其自旋角动量Pe和自旋磁矩e 图1 自旋能级在磁场中的取向 g为朗德因子，Bμ为玻耳磁子，其值为5.7883785×1O-11MevT-1。若电子处于外磁场 μ在空间的取向是量子化的，Pe在Z方向的B（沿Z方向）中，据量子力学可知Pe和e
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级：应用物理学09-2班 姓名：王国强 同组者：庄显丽 教师： 电子自旋共振（射频） 一、基础知识 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 () 1+=S S p S （7-2-1） 其中S 是电子自旋量子数，2/1=S 。 电子的自旋角动量S p 与自旋磁矩S μ 间的关系为 () ???? ?+=-=12S S g p m e g B S S e S μμμ （7-2-2） 其中：e m 为电子质量；e B m e 2 = μ，称为玻尔磁子；g 为电子的朗德因子，具体表示为 ) 1(2) 1()1()1(1++++-++ =J J S S L L J J g （7-2-3） J 和L 为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数，S L J ±=。对于单电子原子，原子的角动量和磁矩由单个电子决定；对于多电子原子，原子的角动量和磁矩由价电子决定。含有单电子或未偶电子的原子处于基态时，L=0，J=S=1/2，即原子的角动量和磁矩等价于单个电子的自旋角动量和自旋磁矩。 设g m e e 2= γ为电子的旋磁比，则 S S p γμ= （7-2-4） 电子自旋磁矩在外磁场B （z 轴方向）的作用下，会发生进动，进动角频率ω为 B γω= （7-2-5） 由于电子的自旋角动量S p 的空间取向是量子化的，在z 方向上只能取 m p z S = （S S S S m -+--=,1,,1, ） m 表示电子的磁量子数，由于S =1/2，所以m 可取±1/2。电子的磁矩与外磁场B 的相互作用能为 B B B E z S S γμμ2 1 ±==?= （7-2-6） 相邻塞曼能级间的能量差为
微波段电子自旋共振实验 【实验目的】 1. 了解和掌握各个微波波导器件的功能和调节方法。 2. 了解电子自旋共振的基本原理，比较电子自旋共振与核磁共振各自的特点。 3．观察在微波段电子自旋共振现象，测量DPPH样品自由基中电子的朗德因子。 4. 理解谐振腔中TE10波形成驻波的情况，调节样品腔长，测量不同的共振点，确定波导波长。 5．根据DPPH样品的谱线宽度，估算样品的横向弛豫时间。 【实验仪器】 FD-ESR-II型微波电子自旋共振实验仪，双踪示波器 【实验原理】 概述: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)缩写为ESR，又称顺磁共振(缩写为EPR,Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频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ESR现象。 ESR己成功地被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，ESR是一种重要的近代物理实验技术。 ESR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。 用电子自旋共振方法研究未成对的电子，可以获得其它方法不能得到或不能准确得到的数据。如电子所在的位置，游离基所占的百分数等等。 一、仪器简介 FD-ESR-II用来测量DPPH样品的ESR吸收谱线，测量g因子，并分析微波系统的特性。如图1所示。
微型台式电子自旋共振波谱仪（Micro-ESR） 操作规程 微型台式电子自旋共振波谱仪（Micro-ESR）简介： 电子自旋共振 ?微型台式ESR是世界上最小的电子自旋共振（ESR）光谱仪。此系统可以用于检测各种化学物质的不成对电子。基于自由基的频谱信号的位置和强度的测定，可以识别并定量自由基。 ?微型台式ESR的应用包括抗氧化剂，润滑剂，原油，催化剂，生物柴油稳定性，植物油，啤酒和葡萄酒的保质期和其它涉及自由基的测定的分析。 微型台式ESR ?Micro-ESR采用专利技术，轻巧便捷，数据精准。仪器配有全自动型温度控制器、windows系统、USB接口以及Ethernet接口，用于输出数据或和其它仪器连接。 操作 ?使用Micro-ESR，使用者首先需要准备样品，并装入样品管放入检测腔。然后在仪器上定义各种参数，如扫描范围，调制功率和采样时间。然后，台式微型ESR会在指定范围进行扫描并输出频谱。 微型台式电子自旋共振波谱仪（Micro-ESR）操作步骤： 电气连接
?Micro-ESR内置计算机系统，使用110v—220v电源。 ?打开仪器背面开关，启动Micro-ESR，进入计算机系统。 ?仪器可以通过USB口，外接鼠标键盘及U盘。 启动软件 1.双击屏幕中的μESR Control Software图标，打开操作软件。 2.当软件状态窗口显示“Ready”时，可以进行下一步操作。 装样 1.实验样品需装载在直径5.8mm的样品管中。 2.样品管中装样高度必须大于3cm，以保证样品完全覆盖检测区域。 3.用O型圈固定样品管的高度，小心放入仪器顶部的检测腔中检测。 4.在软件界面选择“Tuning”菜单界面，点击“Auto Tune”进行自 动调谐，自动调谐成功后可进行下一步。如果未成功则需要调整样品位置、装填量，再多次重复此步骤。 扫描 1.选择菜单栏中“Spectrometer Control”界面。 2.输入样品名称、样品描述（如果需要）。 3.在“Run Type”下拉菜单中，选择扫描方式。 4.在Number of Sweeps, Number of Points, Power, Starting Sweep Field, and Ending Sweep Field. 依次输入扫描个数、扫描点数、电压、起始扫描范围、中止扫描范围。详细设置见手册。 5.参数设置完毕，点击“Start Sweep”按钮，开始扫描。 6.如果想提前中止扫描，可以点击“End Sweep”按钮结束扫描。
电子自旋共振 电子自旋共振（ESR ）也称为电子顺磁共振（EPR ）。由于这种磁共振现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，所以称电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献，所以又称为电子自旋共振。电子自旋的概念是著名物理学家泡利（Wolfgang Pauli 1900——1958）1924年研究反常塞曼效应时首先提出的，他通过计算发现，满壳层的原子实际应具有零角度的动量，因此他断定反常塞曼效应的谱线分裂只是由价电子引起的，而与原子核无关，显然价电子的量子论性质具有“二重性”，接着他提出了著名的泡利不相容原理。1945年泡利因发现泡利不相容原理而获诺贝尔奖。 由于电子自旋磁矩远大于核磁矩，所以电子自旋共振的灵敏度要比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观测到电子自旋共振现象。 电子自旋共振的主要研究对象是化学上的自由基、过度金属离子和稀土元素离子及其化合物、固体中的杂质和缺陷等。通过对电子自旋共振谱图的分析可以得到材料微观结构的许多信息。在化学、医学和生物学方面也有较多应用。 实验目的 1． 在弱磁场（1mT 量级）下观测电子自旋共振现象。测量DPPH 样品的g 因子和共振线宽。 2． 了解电子自旋共振等磁共振实验装置的基本原理和测量方法，熟悉磁共振技术。 实验原理 1． 电子的自旋磁矩 电子的轨道运动磁矩为 l e l P m e v v 2?=μ （1） 其中e 为电子电量，m e 电子质量，为电子轨道的角动量 l P h )1(+=l l P l 其中为角量子数，为约化普朗克常量。因此，电子的轨道磁矩为 l h
B e l l l m e l l μμ)1(2) 1(+=+=h 其中μB 称为玻尔磁子 2241027.92m A m e e B ?×== ?h μ 电子的自旋磁矩为 s e s P m e v v 2?=μ （2） h )1(+=s s P s B e s s s m e s s μμ)1(2)1(+=+=h 其中s 为自旋量子数，自由电子的s = 1/2；P s 为自旋角动量。 二者的合成（LS 耦合）即为单电子原子的总磁矩 j e j P m e g v v 2?=μ （3） 其中g 称为朗德因子 ) 1(2)1()1()1(1212222++++?++=+?+=j j s s l l j j P P P P g j s l j （4） 其中j 为LS 耦合总角动量量子数。 将式（1）、（2）与（3）比较可知，对于单纯轨道运动g = 1。而对于单纯自旋运动 g = 2，精确测量得到g 的公认值，g = 2.0023。 引入旋磁比γ，式（3）可以写成 e j j e j m e g P P m e g 2,2?==?=γγμv v v （5） 在外磁场中，P j 和μj 空间取向都是量子化的。它们在外磁场B 方向的投影为 B z z mg m m P μγμ?===h h , （6） 其中m 为磁量子数，m = j ，j –1，…，–j。
电子自旋共振 【实验原理】 1. 电子的轨道磁矩和自旋磁矩 电子的轨道磁矩为 2l l e e P m μ=- l P 为电子轨道运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。轨道角动量和轨道磁矩分别为 l l P μ== 电子的自旋磁矩 s s e e P m μ=- s P 为电子自旋运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。自旋角动量和自旋磁矩分别为 s s P μ== 由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍。 对于单电子的原子，总磁矩 j μ与总角动量 j P 之间有 j j e e g P m μ=-
其中()()() () 111121j j l l s s g j j +-+++=++。对单纯轨道运动g 为1，对于单纯自旋运 动g 为2。 引入旋磁比γ，即有 j j e P e g m μγγ==- 在外磁场中 j P 和 j μ都是量子化的，因此 j P 在外磁场方向上投影为 ()(),1,,1,2π = =----z mh P m j j j j 相应的磁矩 j μ在外磁场方向上的投影为 ()(),1,,1,2γμπ = =----z mh m j j j j 由以上公式可得 4z B e mgeh mg m μμπ=- =- 4B e eh m μπ= 为玻尔磁子 2. 电子自旋共振（电子顺磁共振） 由于原子总磁矩 j μ的空间取向是量子化的，因此原子处在外磁场B 中时，磁矩 与外磁场的相互作用也是量子化的，为 2j B mhB E B mg B γμμπ=-=- =- 相邻磁能级之间的能量差为 2hB E γπ?= 当向能量差为 20hB E γπ?= 的原子发射能量为20 hB h γνπ= 光子时，原子将这个光子 跃迁到高磁能级，这是发生在原子中的共振吸收跃迁现象，磁能级分裂是由电子
微波段电子自旋共振 一、实验目的 1.本实验的目的是在了解电子自旋共振原理的基础上，学习用微波频段检测电子自旋 共振信号的方法。 2.通过有机自由基DPPH的g值和EPR谱线共振线宽并测出DPPH的共振频率，算出共 振磁场，与特斯拉计测量的磁场对比。 3.了解、掌握微波仪器和器件的应用。 4.学习利用锁相放大器进行小信号测量的方法。 二、实验仪器 本实验使用ＭＳＤ-Ⅱ型电子顺磁共振谱仪观测电子自旋共振信号。 该仪器采用微波边限振荡器自检，低频小调场、慢扫描磁场、锁相放大、计算机自动控制、数据采集、实时显示、数据处理等技术。 该仪器由主机、电磁铁和计算机组成。 整体结构框图如图11.3-2所示。共分为５部分：１．微波部分，２．调制部分，３．扫描部分，４．放大部分，５．测控及接口部分。主机核心部分是微波边限振荡自检系统。它由一端为可调短路活塞，另一端为短路块的３ｃｍ矩形标准波导所构成的变频谐振腔及安放在其中的Ｇｕｎｎ二极管组成，利用Ｇｕｎｎ二极管的负阻特性，可以使它产生Ｘ波段范围内的微波振荡，适当选择Ｇｕｎｎ二极管偏置电压（改变串接电阻）使其处于边限振荡状态（类似于ＮＭＲ中的边限振荡），调节短路活塞，改变腔长以改变微波振荡频率 其频率由安装在腔体上的波长表测量，待测样品粘贴在短路中心的样品杆（黄铜圆柱转杆）
上，它可以做０～３６０°的旋转，使待测样品晶轴对磁场有不同取向，从而研究晶体的各向异性。在靠近短路块内壁波导窄壁中央开有φ２ｍｍ的小孔，以便做参比法测量时，插入参比样品管。为保证待测样品和参比样品处于相同的微波场中，还可将参比样品与待测样品一起粘贴在样品杆上，Ｇｕｎｎ管除做微波源外，还兼做检波器（即当ＥＰＲ发生时，腔的Ｑ值下降，微波振荡电压下降），称为自检，为了提高信噪比和稳定性，Ｇｕｎｎ管装有良好的散热装置。 Ｇｕｎｎ管偏置电压（１０～１２Ｖ）可由干电池或稳压电源供给，本实验采用双路稳压电源，另一路做激磁电源，为电磁铁提供稳定的直流电流。 样品放置在靠近短路块内壁微波磁场Ｂ１最强最均匀处，且与恒磁场Ｂ垂直，满足磁共振对Ｂ和Ｂ１极化方向的要求。 用微波边振自检ＥＰＲ谱仪观测某物质的ＥＰＲ谱线，关键在于调节Gunn二极管的边限振荡状态，即必须使Gunn二极管工作在门限偏置电压Ｖth附近（Gunn二极管偏压略高于Ｖth）。 还有控制、数据采集及处理系统，计算机及专用软件包。 该谱仪可工作在程控扫描和自动扫描两种方式，谱仪通过串行口与微机进行通讯，可实现对扫描电流的控制和对数据进行累加和处理。软件采用ＶＢ编程，在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下运行。整个界面具有菜单式、汉字工作提示、实验数据实时屏幕绘图、实验参数实时显示
电子自旋共振实验报告
电子自旋共振实验报告 一、实验目的 1．了解自旋共振的基本原理和实验方法 2．观察和研究电子自旋共振现象，测量二苯基—苦基肼基中电子的朗德因子g 因子 二、实验内容 1．观测电子自旋共振的共振波形，测量共振情况下的磁场0B ，并根据磁场计算g 因子 2．改变微波的频率，测量不同频率下的磁场0B ，并计算不同频率下的g 因子 三、实验原理 1．电子的轨道磁矩 电子的轨道磁矩为 2l l e e P m μ=- l P 为电子轨道运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。轨道角 动量和轨道磁矩分别为 l l P μ== 2．电子的自旋磁矩 s s e e P m μ=-
s P 为电子自旋运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。自旋角 动量和自旋磁矩分别为 s s P μ== 由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍 3．电子的总磁矩 对于单电子的原子，总磁矩j μ 与总角动量j P 之间有 j j e e g P m μ=- 其中()()() () 111121j j l l s s g j j +-+++=+ +。对单纯轨道运动g 为1，对于 单纯自旋运动g 为2。 引入旋磁比γ，即有 j j e P e g m μγγ==- 在外磁场中j P 和j μ 都是量子化的，因此j P 在外磁场方向上投影为 ()()2,1,,1,z mh P m j j j j π= =---- 相应的磁矩j μ 在外磁场方向上的投影为 ()() 2,1,,1,z mh m j j j j γμπ = =----
电子顺磁共振实验报告 一、实验目的 1. 学习电子顺磁共振的基本原理和实验方法；； 2. 了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用； 3.测定DMPO-OH的EPR 信号。 二、实验原理 1.电子顺磁共振（电子自旋共振） 电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,EPR)，是指在稳恒磁场作用下，含有未成对电子的原子、离子或分子的顺磁性物质,对微波发生的共振吸收。1944年，苏联物理学家扎沃伊斯基(Zavoisky)首次从CuCl2、MnCl2等顺磁性盐类发现。电子自旋共振（顺磁共振）研究主要对象是化学自由基、过渡金属离子和稀土离子及其化合物、固体中的杂质缺陷等，通过对这类顺磁物质电子自旋共振波谱的观测（测量因子、线宽、弛豫时间、超精细结构参数等），可了解这些物质中未成对电子状态及所处环境的信息，因而它是探索物质微观结构和运动状态的重要工具。由于这种方法不改变或破坏被研究对象本身的性质，因而对寿命短、化学活性高又很不稳定的自由基或三重态分子显得特别有用。近年来，一种新的高时间分辨ESR技术，被用来研究激光光解所产生的瞬态顺磁物质（光解自由基）的电子自旋极化机制，以获得分子激发态和自由基反应动力学信息，成为光物理与光化学研究中了解光与分子相互作的一种重要手段。电子自旋共振技术的这种独特作用，已经在物理学、化学、生物学、医学、考古等领域得到了广泛的应用。 2.EPR基本原理 EPR 是把电子的自旋磁矩作为探针，从电子自旋磁矩与物质中其它部分的相互作用导致EPR 谱的变化来研究物质结构的，所以只有具有电子自旋未完全配对，电子壳层只被部分填充（即分子轨道中有单个排列的电子或几个平行排列的电子）的物质，才适合作EPR 的研究。不成对电子有自旋运动，自旋运动产生自旋磁矩, 外加磁场后，自旋磁矩将平行或反平行磁场方向排列。经典电磁学可知，将磁矩为μ的小磁体放在外磁场H 中，它们的相互作用能为： E＝-μ· H = -μH cosθ 这里θ为μ与H之间的夹角,当θ= 0 时，E = -μH, 能量最低，体系最稳定。θ=π时，E=μH，能量最高。如果体系从低能量状态改变到高能量状态，需要外界提供能量；反之，如果体系由高能量状态改变为低能量状态，体系则向外释放能量。
仪器使用说明 TEACHER'S GUIDEBOOK FD-ESR-C 微波段电子自旋共振实验仪 中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.
FD-ESR-C微波段电子自旋共振实验仪 一、概述 电子自旋共振(Electron Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(缩写为EPR,Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频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ESR现象。 ESR己成功地被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，ESR也是一种重要的近代物理实验技术。 由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪是用来完成微波段电子自旋共振实验教学的近代物理实验仪器，它主要用来测量DPPH样品的ESR吸收谱线，测量g因子，并分析微波系统的特性。该仪器测量准确、稳定可靠、实验内容丰富，可以用于物理高年级学生专业实验以及近代物理实验。 二、仪器简介 FD-ESR-C型微波电子自旋共振实验仪主要由三部分组成：磁铁系统、微波系统、实验主机系统，如图1所示，另外实验时必须配有双踪示波器（选购件）。 图1 FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪 三、技术指标 1．短路活塞调节范围 0－65mm 2．样品管外径 4.8mm
【摘要】 电子自旋的概念首先由Pauli于1924年提出，1925年S.A.Goudsmit与G.Uhlenbeek利用这个概念解释某些光谱的精细结构。近代观测核自旋共振技术，随后用它去观察电子自旋。本实验目的是观察电子自选共振现象，测量DPPH中电子的g因数。 【原理】 （一）电子的轨道磁矩与自旋磁矩 由原子物理可知，对于原子中电子的轨道运动，与它相应的轨道磁矩μl为 μl= —ep l/2m e 式中p l为电子轨道运动的角动量，e为电子电荷，m e为电子质量，其轨道磁矩方向与轨道角动量的方向相反，数值大小分别为 p l= (l(l+1))^0.5*h μl = (l(l+1))^0.5*eh/2m e 原子中电子除轨道运动外还存在自旋运动。根据狄拉克提出的电子的相对论性波动方程，电子自旋运动的量子数为S= 1/2，自选运动角动量p s与自旋磁矩μs μs =—ep s/m e 其数值大小分别为 p s= (s(s+1))^0.5*h μs = (s(s+1))^0.5*eh/m e 比较上式可知，自旋运动电子磁矩与角动量之间的比值是轨道运动磁矩与角动量之间比值的二倍。 原子中电子的轨道磁矩与自旋磁矩合成原子的总磁矩。对于单电子原子总磁矩μj与角动量p j之间有 μj=-gep j/2m e g = 1 + (j(j+1)-l(l+1)+s(s+1))/2j(j+1) g称为朗德g因数。对于单纯轨道运动g = 1，对于单纯自旋运动g = 2。引入回磁比γ， μj =-γp jγ =-ge/2m e 在外磁场中，μj和p j的空间去向是量子化的。p j在外磁场方向上的投影为 p z = mh m = j，j-1，……，-j 相应的磁矩μj在外磁场方向上的投影为 μz = γmh = mgμB μB称为波尔磁子，电子的磁矩通常都用玻尔磁子μB作单位来量度。 μB= 9.274009*10^-24J/T h = 6.626068*10^-34 J·S （二）电子顺磁共振 既然总磁矩uj的空间取向是量子化的，磁矩与外磁场B的相互作用也是不连续的，其能量为 E=-u j*B=mgu B B 不同量子数m所对应的状态上的电子具有不同的能量。各磁能级是等距分裂的，两磁能级之间的能量差为 E=γ?B 当垂直于磁场B的平面上同时存在一个交变的电磁场Bi，且其角频率ω满足△E=?ω即 ω=γ B 时，电子在相邻的磁能级之间将发生磁偶极共振跃迁。从上面分析可知，这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的的顺磁材料当中，称为电子顺磁共振。 （三）电子顺磁共振研究的对象 对于许多原子来说，其基态J≠0，有固有磁矩，能观察到顺磁共振现象，但是当原子结合成分子和固体时，却很难找到J≠0的电子状态，这是因为具有惰性气体结构的离子晶体以及靠电子配对耦合成的共价键晶体都形成饱和的满壳层电子结构而没有固有磁矩。另外
微波波导与电子自旋共振 班级名：应用物理学1401班 作者：U201410186 赵润晓 同组成员：U201410187 王羽霄 实验时间：2016年11月9日
摘要：本实验用微波波导谐振腔测量微波波长，在此基础上，通过电子自旋共振原理，测量顺次物质DPPH 中自由基的g 因子值。 关键词：微波波导 电子自旋共振 g 因子 一、引言 【实验目的及原理】 1. 实验目的。 ①熟悉微波在波导中传输的特性，测定微波基本参数。 ②了解电子自旋共振的基本原理和实验方法。 ③观察并研究电子自旋现象，测量DPPH 中电子的g 因子。 2. 实验原理。 ①用谐振腔测量微波波长。 电磁波在谐振腔中会发生反射，这是调整腔长，使得电磁波在腔体内形成驻波，这时进入谐振腔内并损耗的微波能量达到最大，而继续通过波导向前传输的信号就会达到最小，在检波器上出现吸收峰，这时标尺读数可以和微波波长建立对应。 ②电子的磁矩 由原子物理学和量子力学知识，可以得到下表： 其中g 因子由下式确定。 ) j (j ) s (s )l (l )j (j g 121111++++-++ = ③电子自旋共振 因为原子总磁矩的空间取向是量子化的，因此当原子处于外磁场中时，磁矩与外磁场的相互作用能也是量子化的，使得能级分裂，两相邻能级差为 B g E B μ=?
因此若向原子发射此能级差的光子，光子会被吸收，产生共振吸收现象。 二、实验过程 【实验内容】 1.搭建微波波导装置，测定微波波导波长。 2.观测并描绘ESR共振波形，测量共振情况下的微波频率和磁场。 3.计算标准样品DPPH中自由基的g因子，与公认值（2.0036）比较。 【实验仪器和方法】 1.实验仪器 实验仪器主要由于魔T相连的信号源，调配器，检波器，样品腔四部分组成。 信号源部分：包括微波信号源，隔离器，衰减器，波长表。 调配器部分：包括调配器和负载。 检波器部分：包括隔离器，检波器和微安表。 样品腔部分：包括样品谐振腔，电磁铁，扫场电厂。 2.实验方法 ①测定微波波导波长。 利用DH1121B型三毫米固态信号源，产生3mm左右波长的电磁波，查表得微波信号源在标尺3.820mm时，产生9.37GHz实验所需电磁波。调整可变衰减器，使得检波下微安表读书为3/4满格。利用BD-1/035A空腔波长表频率刻度对照表，大致确定游标卡尺度数范围在4.634mm附近，最终找到使得微安表度数大幅度下降对应的4.405mm。 利用驻波性质，我们决定采用电子共振·单螺调配器法（即当电子共振发生时，扫场下示波器显示共振信号，这时微安表显示检波信号为一极小值。此时移动单螺调配器，改变魔T的平衡，可发现微安表示数周期变化）测量波导波长。 ②通过ESR测定DPPH的g因子值。 调节波长表，使其偏离共振位置。考虑魔T的特性，调节样品谐振腔活塞和单螺调配器刻度到最佳位置，使样品谐振腔和单螺调配器皆对微波信号谐振，然后开启扫场和磁场电流，示波器上即可出现电子顺磁共振信号。 【数据/结果的分析和讨论】 ①电子共振·单螺调配器法测量波导波长 示意图见下页，利用平均值法可得λg=46.25mm。
电子自旋共振(ESR)实验 泡利(Pauli)在1924年提出电子自旋的概念，可以解释某些光谱的精细结构。1944年，原苏联学者扎沃依斯基(E ．K ．ЗАБОИСКИИ)首先观察到电子自旋共振现象。 电子自旋共振(ESR)的研究对象是含有未偶电子(或称未配对电子)的物质。通过对这些物质ESR 谱的研究，可以了解有关原子、分子及离子中未偶电子的状态及其周围环境的信息，从而获得物质结构方面的知识。这一方法具有很高的灵敏度和分辨力，而且在测量过程中不破坏样品的物质结构，因此，在物理、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。此外，ESR 也是精确测量磁场的重要方法之一。 一、实验原理 ESR 的基本原理与NMR 相似，下面作简要说明。 按照量子力学，电子自旋角动量 )1(||+=s s P s ，其中，s 为电子自旋量子数， h h s ,2/,2 1π== 为普朗克常数。电子自旋磁矩s μ 与电子自旋角动量s P 的关系式为 s e s P m ge 2-=μ (1) 式中，e 为电子电荷，e m 为电子质量，g 称为朗德因子，对自由电子来说，0023.2=g 。当电子处于稳恒磁场中时，原来的单个能级将劈裂为两个能级，如图1所示。相邻能级的间隔为 B g E B μ?= (2) 式中T J m he e B /102741.9224-?=- =μ，称为玻尔磁子，B 是稳恒磁场的磁感应强度。 图1 电子能级分裂示意图 根据磁共振原理，如果在与B 垂直的平面内，施加一个频率为v 的交流磁场1B ，当满 足条件
B g E hv B μ?== (3) 电子就会吸收磁场1B 的能量．从下能级跃迁到上能级。这就是电子自旋共振现象。因角频率v πω2=,上式可改定为 B h g B μω= (4) 或 gB m e e ω2= (5) 由电子自旋共振测出ω和g B ,为常数，就可求得电子荷质比。 因玻尔磁子约为核磁子的1836倍，即电子自旋磁矩比核磁矩大三个数量级，在同样磁场作用下，电子塞曼能级之间的间距比核塞曼能级间距大得多。根据玻尔兹曼分布定律，上、下能级间的粒子数差额也大得多。因此，电子自旋共振信号比核磁共振信号强很多。磁感应强度B 为0.1～1特斯拉时，核磁共振发生在射频范围，电子自旋共振则发生在微波频率范围。然而，对于电子自旋共振，即使在较弱的磁场下，例如mT 1，在射频也能观察到电子自旋共振现象。本实验是在弱磁场下，用较简单的实验装置观察电子自旋共振现象。 二、实验装置 实验装置示意如图2所示，它由ESR 电源，探测器／边限振荡器、示波器、标准高频信号发生器、直流稳态电源、安培表、滑线变阻器等组成。 图2 实验装置图 稳恒磁场和扫场用同一螺线管产生，螺线管直径18.3=d 厘米，长00.7=l 厘米，线圈总匝数为300匝。螺线管中部磁感应强度可由下式计算：
电子自旋共振 ——近五年的研究和进展很早就听说过核磁共振，便怀着求知与好奇的心，选了刘老师的磁共振原理。当然要真正的了解磁共振原理，要从各种相关的方面与相关的领域入手，才能体会到磁共振原理的真正含义以及将来的发展与应用。所以，我先从探讨与磁共振原理相关的电子自旋共振，初步了解并浅谈电子自旋共振近五年的进展与研究。 首先我们先了解什么电子自旋共振以及现象。电子自旋共振（E SR），过去常称为电子顺磁共振（EPR），是属于自旋1/2粒子的电子在静磁场下的磁共振现象，类似静磁场下自旋1/2原子核有核磁共振之现象，又因利用到电子的顺磁性，故称电子顺磁共振。电子自旋共振成像（Electron Spin Resonance Imaging, ESRI）是基于ESR技术和CT扫描成像技术的一种影像化显示和测量样品中自由基或顺磁物种的分布及其变化过程的无损检测技术。常规ESR只能测定自由基的的种类和浓度，但是不能测定自由基的空间分布。ESRI技术在物理学、化学、半导体学、地质学、考古学、生物学和医学等许多科研领域有着巨大的应用前景，特别是在生物学和医学中的应用价值和潜力更十分引人注目。研究活细胞和活体组织产生自由基及天然抗氧化剂在细胞和心脏或脑中与NO和氧自由基作用的空间分布和反应动力学，给出体内自由基分布图和各种疾病的关系，这对从整体概念研究自由基在细胞和活体组织损伤作用机理有重要理论意义。
大致了解完后电子自旋共振以及其成像特点，我们可能会想到核磁共振，那么我们探讨电子自旋共振和核磁共振有何相关的联系以及他们的异同点。电子自旋共振虽然原理类似于核磁共振，但由于电子质量远轻于原子核，而有强度大许多的磁矩。以氢核(质子)为例，电子磁矩强度是质子的659.59倍。因此对于电子，磁共振所在的拉莫频率通常需要透过减弱主磁场强度来使之降低。但即使如此，拉莫频率通常所在波段仍比核磁共振拉莫频率所在的射频范围还要高——微波，因而有穿透力以及对带有水分子的样品有加热可能的潜在问题，在进行人体造影时则需要改变策略。举例而言，0.3 特斯拉的主磁场下，电子共振频率发上在8.41 吉赫，而对于常用的核磁共振核种——质子而言，在这样强度的磁场下，其共振频率为12.77 兆赫。 ESR成像原理。常规ESR测量时，样品整体处于均匀磁场中．当满足ESR条件，即hν＝gβH时，产生ESR共振吸收，测得的ESR 信号．在ESR成像时，在主磁场上迭加梯度磁场，因此样品整体处在非均匀磁场中，于是样品中不同空间位臵产生共振时的主磁场不同，即信号发生位移．采集的ESR信号经过数据处理、图像重建后，即可得到样品中自由基或自旋密度的空间位臵分布图，也就是三维顺磁共振系统。 对于电子自旋共振的研究，我们利用ESR的技术特点，在多个领域进行了应用和发展，其中包括固态物理，辨识与定量自由基分子(即带有不成对电子的分子)。化学，用以侦测反应路径。生物医学领域，用在标记生物性自旋探子等，我们取几个重点来探
电子自旋共振 摘要：本实验通过对射频段电子自旋共振方法的使用，测量出DPPH 样品的朗德因子以及得出磁场与励磁电源电压的关系。使我们对共振跃迁现象有了更为深刻的理解。 关键词：ESR 朗德因子波导波长半高宽 1、引言 电子自旋共振（ESR）研究电子自旋磁矩与磁场相互作用。从“塞曼效应”实验已经了解到，根据量子力学原理电子自旋磁矩在外磁场中使原子能级消除简并，即分裂为若干塞曼能级，故电子自旋共振是研究光子在这些塞满能级之间的直接跃迁。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性材料中，从而也称为电子顺磁共振。 2、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各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。在本单元的基础知识中已经谈到，原子的总磁矩μJ与PJ总角动量之间满足如下关系： 式中μB为玻尔磁子，h为约化普朗克常量，由上式得知，回磁比 按照量子理论，电子的L-S耦合结果，朗德因子 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=L），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的数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，那么，相邻磁能级之间的能量差 △E=γhB0 如果垂直于外磁场B0的方向上施加一幅值很小的交变磁场2 B1cosωt，当交变磁场的角频率ω满足共振条件hω=△E=γhB0 时，则原子在相邻磁能级之间发生共振跃迁。这种现象称为电子自旋共振，又叫顺磁共振。在顺磁物质中，由于电子受到原子外部电荷的
一、实验题目 电子自旋共振 二、实验目的 1.观察并了解电子自旋共振现象。 2.测量DPPH中的g因子和共振曲线的宽度。 3.测量地磁场垂直分量的大小。 三、实验原理 电子自旋共振现象被发现于本世纪四十年代后期，经过几十年的研究发展，它与核磁共振，铁磁共振，光泵磁共振等形成了一个新的学科——磁共振波谱学。做为一项实用技术，它在化学、物理、生物和医学等方面获得了广泛的应用，例如用来发现过渡族元素和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等，近年来，与计算机技术结合，获取生物体断层图象也取得成功。所以在近代物理实验中，对磁共振技术进行学习研究是非常必要的。本实验通过对电子自旋共振现象的观察，了解磁共振的基本原理并学习磁共振现象研究的一般方法。 磁共振现象发生于微观世界，下面结合量子力学知识对自旋共振现象产生的机理进行描述。 大家知道原子由原子核及绕核运动的电子组成，对于这个带电粒子体系，除了角动量外，还有磁矩存在。电子轨道运动产生轨道磁矩，轨道磁矩和轨道角动量之间的关系是：μ＝e/2m eＰ，e/2m e称为电子轨道运动的旋磁比。电子还存在自旋运动，它也产生一定磁矩。自旋磁矩和自旋角动量间的关系是μs＝e/m eＰ，e/m e称为自旋运动的旋磁比。 在实际原子中有许多电子，由于电子之间的库仑作用和自旋轨道耦合作用，所有电子的总角动量J=∑（Li)+∑（Si)是守恒的，在这种既有自旋又有轨道运动的情况下，同样存在磁矩和角动量之间的比例关系：μJ＝g J(e/2m e )P J, g J 称为原子的回旋比率，或称g因子，由于动量取量子化数值｜J｜=[J(J＋1)]h，则｜μJ｜＝[J(J+1)]g JμB,其中μB＝eh/2m e=0.9273E-23安3米2，称为玻尔磁子。我们又从量子力学理论知：g J=1+[J(J+1)+S(S+1)-L(L+1)]/2J(J+1)式中J