電子自旋共振實驗PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1電子自旋共振實驗電子自旋共振實驗 證實了電子具有不同空間取向的自旋磁矩(自旋量子數(shù)S的概念) 。 可獲得有關(guān)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的信息。 磁共振技術(shù)的典型應(yīng)用之一。第1頁/共21頁一、實驗?zāi)康囊弧嶒災(zāi)康?1. 了解“電子自旋”的概念及“電子自旋共振”實驗方法在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用。 2. 掌握用“掃場法”觀察共振躍遷現(xiàn)象的實驗設(shè)計思想。 3. 測量DPPH中未偶電子的g因子。第2頁/共21頁 泡利因此獲得1945年的諾貝爾物理學(xué)獎。二、歷史背景與廣泛應(yīng)用二、歷史背景與廣泛應(yīng)用 1. 泡利不相容原理泡利不相容原理 1924年，奧地利物理學(xué)家泡利(Wolfgang Pauli)為了解決觀測到

2、的分子光譜與正在發(fā)展的量子力學(xué)之間的矛盾，提出了電子在n與L之外還有一個新的自由度(1925年確認為自旋)。同時他還提出：一個原子中沒有任何兩個電子可以擁有完全一個原子中沒有任何兩個電子可以擁有完全相同的量子態(tài)相同的量子態(tài)。這就是泡利不相容原理。第3頁/共21頁 2. “自旋自旋”概念的明確提出概念的明確提出 1925年，兩位年輕的荷蘭學(xué)生烏倫貝克和哥德斯密特，“為了解釋反常塞曼效應(yīng)”，受泡利不相容原理的啟發(fā)，明確提出了電子具有自旋的概念，并證明了“自旋”就是泡利提出的“新自由度”。 1926年，海森伯和約旦引進自旋S，用量子力學(xué)理論對反常塞曼效應(yīng)作出了正確的計算。 1927年，泡利引入了泡利

3、矩陣作為自旋操作符號的基礎(chǔ)，引發(fā)了保羅-狄拉克發(fā)現(xiàn)描述相對論電子的狄拉克方程式。第4頁/共21頁 3. “電子自旋電子自旋”概念的理解概念的理解 “電子自旋”的假設(shè)能夠解釋當時發(fā)現(xiàn)的所有相關(guān)實驗現(xiàn)象，但很難用經(jīng)典模型來描繪這種運動。 不能將“電子自旋”簡單理解為像陀螺一樣繞自身軸轉(zhuǎn)動，如果這樣理解就會導(dǎo)出電子表面上的物質(zhì)的線速度大于光速的結(jié)論，這與相對論產(chǎn)生了矛盾。 正確理解“電子自旋”是將其作為電子“內(nèi)秉的運動”看待，它就是“描述電子量子態(tài)的第三個自由度”。第5頁/共21頁 4. “電子自旋共振電子自旋共振”實驗實驗 電子自旋共振(ESR，Electron Spin Resonance)是一

4、種奇妙的實驗現(xiàn)象，也被稱為電子順磁共振(EPR，Electron Paramagnetic Resonance)。它利用具有未偶電子的物質(zhì)在外加恒定磁場作用下對電磁波的共振吸收特性，來探測物質(zhì)中的未偶電子，研究其與周圍環(huán)境的相互作用，從而獲得有關(guān)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的信息。 電子自旋共振現(xiàn)象直到1944年才由蘇聯(lián)喀山大學(xué)的扎沃伊斯基(E.K.abouchu)在實驗中觀察到。第6頁/共21頁 5. 電子自旋共振實驗方法的應(yīng)用范圍電子自旋共振實驗方法的應(yīng)用范圍 ESR方法具有靈敏度和分辨率較高，能深入物質(zhì)內(nèi)部進行細致分析而不破壞樣品以及對化學(xué)反應(yīng)無干擾等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于多相催化、高分子聚合、化學(xué)交換、化

5、學(xué)反應(yīng)中間產(chǎn)物、高能輻照、新技術(shù)晶體、半導(dǎo)體、特種玻璃等一系列當代科技重大課題的研究中。此外，生物體內(nèi)含有微量的自由基和過渡金屬離子，綠色植物的光合作用、腫瘤致癌、生命衰老等過程都跟自由基有關(guān)，ESR技術(shù)更是在分子水平及細胞水平上研究生物問題不可缺少的工具。 第7頁/共21頁三、實驗原理三、實驗原理 1. 電子的自旋磁矩電子的自旋磁矩 電子具有自旋，由量子力學(xué)可知電子的自旋角動量為式中S為自旋量子數(shù)，S=1/2。電子的自旋將產(chǎn)生自旋磁矩，其大小為其中g(shù)為朗德因子，對自由電子，g，e為電子電荷，me為電子質(zhì)量，B為玻爾磁子，其值為 B=eh/(4 me) =9.27410-24 JT-1。2)

6、1(hSSpssBsesphgpmeg22(1.3-1)(1.3-2)第8頁/共21頁 2. 電子自旋磁矩與外磁場作用導(dǎo)致能級分裂電子自旋磁矩與外磁場作用導(dǎo)致能級分裂 若電子處于外磁場B(沿z方向)中，由于B與自旋磁矩s的作用，其自旋角動量ps將對z軸發(fā)生進動。按照量子力學(xué)的觀點， ps在空間的取向是量子化的，ps在z方向的投影pz為式中m為磁量子數(shù)，m = S，S-1，-S。故m可取值為1/2，自旋磁矩s與外磁場B的相互作用能為2hmpzBmgBphgBEBzBs2(1.3-3)(1.3-4)BgB21第9頁/共21頁 此時如果有一個頻率為的電磁波作用于電子，且滿足h = E的條件，原來處于

7、下能級的電子就有可能吸收電磁波的能量躍遷到上能級。這種現(xiàn)象就被稱為電子自旋共振電子自旋共振。 因此，無外磁場時的一個能級(E=0)，在外磁場B中，由于B與自旋磁矩s的作用，將分裂為兩個能級，如圖(1.3-1)所示。分裂產(chǎn)生的兩個能級間的能量差為BgBgBgEBBB2121(1.3-5)E = 0E=gBB/2E= -gBB/2BE0圖1.3-1 外磁場中自旋磁矩導(dǎo)致能級分裂示意圖h3.電子自旋共振電子自旋共振 h = g B B (1.3-6)被稱為共振條件。第10頁/共21頁 4. 使共振現(xiàn)象持續(xù)出現(xiàn)的實驗方法使共振現(xiàn)象持續(xù)出現(xiàn)的實驗方法 當與B的關(guān)系從不滿足共振條件變?yōu)闈M足共振條件的瞬間，

8、-gBB/2能級上的電子吸收電磁波的能量躍遷到gBB/2能級，我們可以檢測到電磁波能量的變化從而得知發(fā)生了共振現(xiàn)象。 但是當與B的關(guān)系長時間滿足共振條件時，共振現(xiàn)象還會持續(xù)出現(xiàn)嗎？第11頁/共21頁 在熱平衡條件下，處在gBB/2能級和-gBB/2能級上的電子數(shù)應(yīng)滿足玻爾茲曼分布，兩個能級上的電子數(shù)N2、N1的比值為 N2/N1 = exp - (E2-E1) / kT (1.3-7) 式中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。通常情況下都滿足E2-E1 kT 的高溫近似條件，上式可寫成 N2/N1 = 1- (E2-E1)/kT =1- gBB/kT (1.3-8)顯然，外加磁場越強，溫度越低，

9、兩個能級上的粒子數(shù)之差越大。第12頁/共21頁 當與B的關(guān)系長時間滿足共振條件時，由于共振躍遷使兩個能級上分布的電子數(shù)的比值大于玻爾茲曼分布對應(yīng)的比值，便會產(chǎn)生從高能級到低能級的自發(fā)躍遷。在自發(fā)躍遷與共振躍遷達到平衡時，自發(fā)躍遷輻射的能量與共振躍遷吸收的能量相等，我們就無法繼續(xù)觀察到共振現(xiàn)象的存在。第13頁/共21頁 為了使與B的關(guān)系在不滿足共振條件與滿足共振條件之間產(chǎn)生周期性變化以便我們可以持續(xù)(周期性)地觀察到共振現(xiàn)象產(chǎn)生的信號，可以采用以下兩種方法： (1) 保持不變，使B周期性改變來滿足共振條件。這種實驗方法稱為“掃場法掃場法”。 (2) 保持B不變，使周期性改變來滿足共振條件。這種實

10、驗方法稱為“掃頻法掃頻法”。 實現(xiàn)“掃頻法”的技術(shù)難度較大，實際應(yīng)用中通常采用“掃場法”。第14頁/共21頁B0)sin(0tBBBmBIttBghB掃場法：掃場法：第15頁/共21頁 5. 標準樣品標準樣品DPPH的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu) 本實驗使用的樣品為DPPH(Di-Phehcryl-Picryl-Hydrazal)，化學(xué)名稱是二苯基苦酸基聯(lián)氨，其分子式為：(C6H5)2N-NC6H2(NO2)3，如圖所示。其 圖1.3-2 DPPH結(jié)構(gòu)圖第2個N原子少了一個共價鍵，有一個未偶電子，是一個穩(wěn)定的自由基，它在外磁場中便可以產(chǎn)生電子自旋共振現(xiàn)象。本實驗要求測定這個未偶電子的g因子。第16頁/共

11、21頁6.電子自旋共振與塞曼效應(yīng)的區(qū)別電子自旋共振與塞曼效應(yīng)的區(qū)別 電子自旋共振研究的同一電子狀態(tài)(基態(tài))的不同塞曼能級本身之間的躍遷，這種躍遷只發(fā)生在相鄰的塞曼能級之間。而塞曼效應(yīng)則研究的是不同電子狀態(tài)的能級間的躍遷。E2E1EBMJ3 21 21 23 23 21 21 21 2塞曼效應(yīng)電子自旋共振圖1.3-3電子自旋共振與塞曼效應(yīng)第17頁/共21頁魔T四、實驗儀器介紹四、實驗儀器介紹電子自旋共振實驗電子自旋共振實驗固體微波源固體微波源：在3cm固態(tài)微波電源作用下，可由其體振蕩產(chǎn)生波長約為3cm的微波信號。調(diào)節(jié)其上的螺旋絲桿可對微波信號的頻率進行微調(diào)。隔離器隔離器：只允許微波單向通過，用于

12、防止回波信號損壞微波源。可變衰減器可變衰減器：垂直波導(dǎo)寬壁中線沿縱向插入吸收片以吸收部分傳輸功率，調(diào)節(jié)其插入深度或離寬壁中線距離，可改變微波輸出功率大小。頻率計頻率計：通過螺旋絲桿調(diào)節(jié)其諧振腔與微波頻率達到匹配時，可產(chǎn)生較強的諧振吸收。后續(xù)微波通道上的檢波器檢測到這個諧振吸收信號時，可根據(jù)螺旋絲桿讀數(shù)查表確定微波的實際頻率。魔魔T：是一種互易無損耗四端口網(wǎng)絡(luò)，與低頻橋式線圈相對應(yīng)，故又稱橋式接頭，有“雙臂隔離，旁臂平分”的特性。當單螺調(diào)配器一側(cè)與樣品腔一側(cè)狀態(tài)匹配時，輸出到檢波器的信號幅度最小。單螺調(diào)配器單螺調(diào)配器：改變探針深入到波導(dǎo)內(nèi)的深度和水平位置時，可以改變此臂反射波的振幅和相位。第18頁/共21頁樣品諧振腔的調(diào)諧與微波磁場分布： 圖1.3-5 TE104模的電磁場結(jié)構(gòu) 調(diào)節(jié)短路活塞，使腔長等于半個波導(dǎo)波長的整數(shù)倍（ ）時，腔諧振。諧振時，電磁場沿腔長度方向出現(xiàn) 個長度為 的駐立半波，此即TE10n模式。駐立半波空間內(nèi)的閉合磁力線環(huán)平行于波導(dǎo)寬壁，且同一駐立半波空間磁力線環(huán)的方向相同，相鄰駐立半波空間磁力線環(huán)的方向相反。2glnn2g相鄰兩