電子順磁共振 優(yōu)質(zhì)課件

1、電子自旋共振（ESR） 南京理工大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)中心 ?一、背景介紹 ?二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康??三、實(shí)驗(yàn)原理 ?四、實(shí)驗(yàn)儀器 ?五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 ?六、注意事項(xiàng) ?七、思考題 提 綱 一、背景介紹一、背景介紹 概念概念 磁共振磁共振是指 的原子或原子核在 作 用下對 1能的 現(xiàn)象,包括核磁共振 、 順磁共振、光磁共振、鐵磁共振。如果磁共振是由物 質(zhì)原子中的電子自旋磁矩引起的，則稱 電子自旋共振 （ESR）,也稱為電子順磁共振(EPR) 。 磁矩不為零 穩(wěn)恒磁場 電磁輻射 共振吸收 核磁共振 順磁共振 光磁共振 鐵磁共振 ?1924泡利（Wolfgang Pauli ）在研究光譜的精 細(xì)結(jié)構(gòu)時提出電子具

2、有自旋磁矩的設(shè)想。 一、背景介紹一、背景介紹 歷史 Wolfgang Pauli (1900-1958) 諾貝爾物理學(xué)獎 (1945年) Yevgeny Zavoisky (1917-1976) ?1944年前蘇聯(lián)的扎沃依斯基首次觀察到電子 順磁共振現(xiàn)象。隨后電子順磁共振逐步被用于 科學(xué)研究。 一、背景介紹一、背景介紹 歷史 電子自旋共振研究的對象是具有未偶（未配對）電子 的物質(zhì)，如具有奇數(shù)個電子的原子、分子以及內(nèi)電子 殼層未被充滿的離子，受輻射作用產(chǎn)生的 自由基及半 導(dǎo)體、金屬等。通過共振譜線的研究，可以獲得有關(guān) 分子、原子及離子中 未偶電子的狀態(tài)及其周圍環(huán)境 方 面的信息，從而得到有關(guān) 物

3、質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的信息， 故電子自旋共振是一種重要的近代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在 物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)學(xué) 等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 一、背景介紹一、背景介紹 應(yīng)用 二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?? 了解電子順磁共振的原理。 ?掌握FD-ESR-II型電子順磁共振譜儀的調(diào) 節(jié)和使用方法。 ?利用電子順磁共振譜儀測量 DPPH的g因子。 三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理 電子的自旋運(yùn)動產(chǎn)生自旋磁矩。自旋磁矩與自旋 角動量之間的關(guān)系為： B JJJ gPP ? ? ? B gPP ? ? ? B g ? ? ?：旋磁比 g ：朗德因子。 P ：電子自旋角動量 B ：玻爾磁子， 2 e e m 當(dāng)電子磁矩處于外恒定磁場B

4、（假設(shè)沿Z軸）中時， 電子磁矩與外磁場發(fā)生相互作用，相互作用能為： ZB EBBmgB? ? ? ? m ：磁量子數(shù)，對于自由電子， m取1/2、-1/2。 可見，外磁場導(dǎo)致原來簡并的原子態(tài)發(fā)生塞曼能級分 裂，相鄰能級能量間隔為 。 B EgBB? 磁矩在磁場中的塞曼能級分裂 相鄰能級能量間隔與外磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。 此時若沿垂直垂直磁場方向施加一交變的磁場，當(dāng)交變磁 場的能量子 時，原子在相鄰塞曼能 級之間發(fā)生共振躍遷，對入射的交變磁場產(chǎn)生強(qiáng)烈吸 收，此即為電子自旋共振。通過測量共振頻率 和對 應(yīng)的外磁場B，可計(jì)算原子的g因子： 0 EB? B EBgB? ? / B gB? 原子磁矩完全

5、由電子自旋磁矩貢獻(xiàn)： g=2 原子磁矩完全由電子的軌道磁矩所貢獻(xiàn)： g=1 由原子物理可知： 通過g因子的測量可以判斷電子運(yùn)動的情況，進(jìn)而可以 得知關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的信息。 實(shí)現(xiàn)共振的方法實(shí)現(xiàn)共振的方法 微波源頻率固定(9.37GHz)，連續(xù)改變外磁場的磁感應(yīng) 強(qiáng)度，當(dāng)滿足共振條件時發(fā)生電子自旋共振。 為滿足共振條件 可采用兩種方法：掃場 法、掃頻法，本實(shí)驗(yàn)采用掃場法。 EB? ? 9.37G微波輻射 掃場法檢測共振信號 通過調(diào)節(jié)勵磁線圈的直流電流，改變恒定磁場的大小，當(dāng)恒定 磁場B02/時，共振吸收信號等間距排列。此時對應(yīng)的恒定 磁感應(yīng)強(qiáng)度即為共振條件方程中所對應(yīng)的磁場強(qiáng)度。利用特斯 拉計(jì)測量該

6、磁感應(yīng)強(qiáng)度代入共振方程可得 g因子的值。 B=B0+Bsint t t B B V V 20ms 20ms 10ms B0 掃場法測g因子 B ESR 和NMR 的區(qū)別： 1. ESR 是研究電子磁矩與外磁場的相互作用，即通常 認(rèn)為的電子塞曼效應(yīng)引起的，而 NMR 是研究核磁矩在 外磁場中核塞曼能級間的躍遷。 換言之，ESR 和NMR 是分別研究電子磁矩和核磁矩在 外磁場中重新取向所需的能量。 2. ESR 的共振頻率在微波波段。（9.37GHz） NMR 的共振頻率在射頻波段。（23MHz） 3. ESR 的靈敏度比NMR 的靈敏度高，ESR檢出所需自 由基的絕對濃度約在 10-8M數(shù)量級。

7、 DPPH分子結(jié)構(gòu)圖 本實(shí)驗(yàn)采用的樣品為 DPPH（二苯基苦酸基聯(lián)氨 ）， 它的第二個氮原子上存在一個未成對的電子，我們觀 察到的共振信號就是源于這類電子。 NN NO2 O2N O2N . 實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)驗(yàn)樣品 四、實(shí)驗(yàn)儀器四、實(shí)驗(yàn)儀器 FD-ESR-II電子順磁共振儀構(gòu)成圖 電磁鐵 掃描線圈 1 6 4 3 2 5 繼續(xù) 1、微波源：、微波源： 體效應(yīng)管 變?nèi)荻O管 電源輸入端+12V 頻率調(diào)節(jié) 微波源由體效應(yīng)管、變?nèi)荻O管、頻率調(diào)節(jié)組成。 用于輸出頻率為9.37GHz的微波。 2、隔離器：、隔離器： 特點(diǎn)：具有單向傳輸功能，減少反射波對微波源的干擾。 1輸入，2輸出 基本無衰減 2輸入，1輸

8、出 有極大的衰減 1 2 3、環(huán)形器 環(huán)形器具有定向傳輸功能。 1輸入，2輸出無衰減，3輸出衰減30db 2輸入，3輸出無衰減，1輸出衰減30db 3輸入，1輸出無衰減，2輸出衰減30db 1 3 2 4、晶體檢波器、晶體檢波器 調(diào)節(jié)螺絲 Q9 輸出頭 檢波二極管 短路活塞 測量時要反復(fù)調(diào)節(jié)波導(dǎo)終端的短路活塞的位置以及輸入前端三 個螺釘?shù)拇┥於龋箼z波電流達(dá)到最大值，以獲得較高的測量 靈敏度。 金屬 金屬絲 半導(dǎo)體 瓷殼 金屬 檢波晶體上的電壓V與微波中的電場強(qiáng)度E成正比。為獲得 最大的檢波信號輸出，調(diào)節(jié)短路活塞位置，使它與晶體的 距離約為 /4,使晶體處于電場最大（駐波波腹）處。 檢波晶體管

9、結(jié)構(gòu)圖 5、阻抗調(diào)配器、阻抗調(diào)配器 它的主要作用是改變微波系統(tǒng)的負(fù)載狀態(tài)。在本實(shí)驗(yàn)中主要作 用是觀察吸收、色散信號。 吸收曲線 色散曲線 6、諧振腔：、諧振腔： AB 諧振腔耦合膜片 可變短路調(diào)節(jié)器 樣品 通過調(diào)節(jié)可變短路調(diào)節(jié)器的位置，使微波在諧振腔內(nèi)形成 駐波，得到最強(qiáng)的電子順磁共振信號。 FD-TX-ESR-I 電子順磁共振儀電子順磁共振儀 電源 直流調(diào)節(jié) 掃描調(diào)節(jié) 掃頻開關(guān) X 軸幅度 X軸相位 直流輸出 + - 掃描輸出 X-out 信號 in out 上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司 on off FD-ESR-II 電子順磁共振儀前面板 直流輸出：此輸出端將

10、會輸出0600mA的電流，通過直流調(diào)節(jié)電 位器來改變輸出電流的大小，使用時連接到一組線圈的接線柱上。 掃描輸出：此輸出端將會輸出01000mA的交流電流，其大小由 掃描調(diào)節(jié)電位器來改變，使用時連接到一組線圈的接線柱上。 掃頻開關(guān)：用來改變掃描信號的頻率 IN與OUT：此兩個接頭是一組放大器的輸入和輸出端，放大倍數(shù) 為10倍，IN端為放大器的輸入端，OUT端為放大器的輸出端 X-out：此輸出端為一組正玄波的輸出端，X軸幅度為正玄波的幅 度調(diào)節(jié)電位器，X軸相位為正玄波的相位調(diào)節(jié)電位器 各部分的功能各部分的功能 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 儀器調(diào)節(jié) ? 將微波源上的連接線連到主機(jī)后面板上

11、的5芯插座上 ? 將微波源與隔離器相接（按箭頭方向連接） ? 將隔離器的另一端與環(huán)型器中的（I）端相連 ? 將扭波導(dǎo)與環(huán)型器中的（II）端相接 ? 將環(huán)型器中的（III）端與檢波器相接 ? 將扭波導(dǎo)的另一端與直波導(dǎo)的一端連接 ? 將直波導(dǎo)的另一端與短路活塞相接 微波系統(tǒng)的連接：微波系統(tǒng)的連接： 1微波源 2隔離器 3環(huán)型器 4 扭波導(dǎo) 5直波導(dǎo) 6樣品 7短路活塞 8檢波器 微波系統(tǒng)裝配圖 連線方法連線方法： 1. 通過連接線將主機(jī)上的掃描輸出端接到磁鐵的一端 2. 將主機(jī)上的直流輸出端連接在磁鐵的另一端 3. 通過Q9連接線將檢波器的輸出連到示波器上 4. 將微波源與主機(jī)相連 直流輸出 掃描

12、輸出 CH2 示波器 微波源 檢波器 主機(jī) 電磁鐵 微波電源 系 統(tǒng) 連 線 圖 DPPH順磁共振譜線的觀測 1、將裝有DPPH樣品的試管放入微波系統(tǒng)的樣品插孔中 ； 2、按照系統(tǒng)電路連接圖連接系統(tǒng)個組成部分之間的通信電纜和 電源線。 7、將主機(jī)的X-out利用Q9連接線連接至示波器的CH1通道，將 示波器的XY按鈕按下，即可觀察到里薩如圖形，調(diào)節(jié)主 機(jī)的X軸幅度和X軸相位旋鈕以及阻抗調(diào)配器的旋鈕，觀察 圖形的變化。 3、打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)短路活塞，直流輸出，調(diào)出共振吸收波 形。 4、調(diào)節(jié)直流調(diào)節(jié)電位器，使得共振吸收信號等間距。 5、然后調(diào)節(jié)阻抗調(diào)配器上的旋鈕觀察吸收波形和色散波形。 6、用特

13、斯拉計(jì)測定磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度B，反復(fù)測量三次取平均值， 根據(jù)共振頻率和B計(jì)算DPPH的g因子。 在用特斯拉計(jì)測量磁 場之間先將其調(diào)零。 利用計(jì)算機(jī)記錄DPPH的吸收曲線 7、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完后，可對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及圖形進(jìn)行保存或打印。 1、檢波器的輸出接到示波器上； 2、連接在主機(jī)掃描輸出上的信號線換到鎖相放大器上的電流輸 出端； 3、鎖相放大器上的調(diào)制輸出接在高頻線圈（在諧振腔的兩側(cè)） 的輸入端； 4、調(diào)節(jié)鎖相放大器上調(diào)制幅度為最大，輸入輸入/手調(diào)手調(diào)開關(guān)打在手調(diào) 上，通過改變主機(jī)上的直流輸出的大小，觀察示波器，可以看 到幅度為1-2mV左右的正弦波； 5、在示波器上出現(xiàn)正弦波后，將此信號送到鎖相放大

14、器上的IN 端把靈敏度開關(guān)打到最靈敏檔（5mV）上,把積分時間開關(guān)打 在最短時間（10ms）上，指針擺動的幅度最大，積分時間最 短，信號看的最明顯； 6、將鎖相放大器上的輸入/手調(diào)開關(guān)打在輸入上，點(diǎn)擊軟件上的 運(yùn)行按鈕，即可看出實(shí)驗(yàn)采樣到的數(shù)據(jù)與圖形。 直流輸出 掃描輸出 微波源 檢波器 主機(jī) 電磁鐵 鎖相放大器 調(diào)制輸出 電流輸出 IN 微波電源 系 統(tǒng) 連 線 圖 吸收曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一次微分信號） 六、注意事項(xiàng)六、注意事項(xiàng) ?由于儀器的樣品是使用玻璃管封裝，故在放置樣品的時 候，要謹(jǐn)防玻璃管折斷后破碎。 ?本實(shí)驗(yàn)在操作的過程中，要嚴(yán)格按照說明書上說明的操 作步驟去做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的每一步都需要細(xì)心地完成。 ?樣品位置和腔長調(diào)整不要用力過大、過猛，防止損壞。 ?保護(hù)特斯拉計(jì)的探頭防止擠壓磕碰，用后不要拔下探頭。 ?實(shí)驗(yàn)完畢后，應(yīng)將儀器上所有電位器都旋到零位，以防 止下次開機(jī)時的沖擊電流將電位器損壞。 七、思考題 1.從理論上講，產(chǎn)