微波順磁共振、核磁共振實驗報告

1、微波順磁共振、核磁共振實驗報告摘要:電子自旋共振(Electron Spin Resonance),縮寫為ESR,又稱順磁共振(Paramagnetic Resonance)。它是指處于恒定磁場中的電子自旋磁矩在射頻電磁場作用下發(fā)生的一種磁能級間的共振躍遷現(xiàn)象。這種共振躍遷現(xiàn)象只能發(fā)生在原子的固有磁矩不為零的順磁材料中，稱為電子順磁共振。1944年由前蘇聯(lián)的柴伏依斯基首先發(fā)現(xiàn)。它與核磁共振(NMR)現(xiàn)象十分相似,所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR實驗技術后來也被用來觀測ESR現(xiàn)象。目前它在化學、物理、生物和醫(yī)學等各方面都獲得了極其廣泛的應用。用電

2、子自旋共振方法研究未成對的電子,可以獲得其它方法不能得到或不能準確得到的數(shù)據(jù)。如電子所在的位置,游離基所占的百分數(shù)等等。1939年美國物理學家拉比用他創(chuàng)立的分子束共振法實現(xiàn)了核磁共振。1945年至1946年珀賽爾小組和布洛赫小組分別在石蠟小組分別在石蠟和水中觀測到穩(wěn)態(tài)核磁共振信號，從而在宏觀的凝聚物質中取得成功。此后，核磁共振技術迅速發(fā)展，還滲透到生物、醫(yī)學、計量等學科領域以及眾多生產技術部門，成為分析測試中不可缺少的實驗手段。關鍵詞：電子自旋共振 共振躍遷 鐵磁共振 g因子引言：順磁共振（EPR）又稱為電子自旋共振（ESR），這是因為物質的順磁性主要來自電子的自旋。電子自旋共振即為處于恒定磁

3、場中的電子自旋在射頻場或微波場作用下的磁能級間的共振躍遷現(xiàn)象。研究了解電子自旋共振現(xiàn)象，測量有機自由基DPPH的g因子值，了解和掌握微波器件在電子自由共振中的應用，從矩形諧振長度的變化，進一步理解諧振腔的駐波。鐵磁共振和順磁共振、核磁共振一樣是研究物質宏觀性能和微觀結構的有效手段本實驗采用掃場法進行微波鐵磁材料的共振實驗。即保持微波頻率不變，連續(xù)改變外磁場，當外磁場與微波頻率之間符合一定的關系時，可發(fā)生射頻磁場的能量被吸收的鐵磁共振現(xiàn)象。微波鐵磁共振在磁學和固體物理學中占有重要地位。它是微波鐵氧體物理學的基礎。微波鐵氧體在雷達技術和微波通信方面有重要的應用。順磁共振1、實驗原理：一、 電子的自

4、旋軌道磁矩與自旋磁矩原子中的電子由于軌道運動，具有軌道磁矩，其數(shù)值為：e2me?lPl 負號表示方向同Pl相反在量子力學中Pl?l?e?B 其中?B?e?2me稱為玻爾磁子。電子除了軌道運動外還具有自旋運動，因此還具有自旋磁矩，其數(shù)值表示為：?semePs?由于原子核的磁矩可以忽略不計，原子中電子的軌道磁矩和自旋磁矩合成原子的總磁矩：?jge2mePj 其中g是朗德因子，g?1?j(j?1)?l(l?1)?s(s?1)2j(j?1)在外磁場中原子磁矩要受到力的作用，其效果是磁矩繞磁場的方向作旋進，也就是Pj繞著磁場方向作旋進，引入回磁比ge2me，總磁矩可表示成?jPj。同時原子角動量Pj和原

5、子總磁矩?j取向是量子化的。Pj在外磁場方向上的投影為：Pj?m? m?j,j?1,j?2,j其中m稱為磁量子數(shù)，相應磁矩在外磁場方向?jmmg?B m?j,j?1,j?2,j二、電子順磁共振原子磁矩與外磁場B相互作用可表示為：Ej?Bmg?BBm?B不同的磁量子數(shù)m所對應的狀態(tài)表示不同的磁能級，相鄰磁能級間的能量差為?EB，它是由原子受磁場作用而旋進產生的附加能量。如果在原子所在的穩(wěn)定磁場區(qū)又疊加一個與之垂直的交變磁場，且角頻率?滿足條件 g?BB即EB，剛好滿足原子在穩(wěn)定外磁場中的鄰近二能級差時，二鄰近能級之間就有共振躍遷，我們稱之為電子順磁共振。當原子結合成分子或固體時，由于電子軌道運動

6、的角動量常是猝滅的，即Pj近似為零，所以分子和固體中的磁矩主要是電子自旋磁矩的貢獻。根據(jù)泡利原理，一個電子軌道最多只能容納兩個自旋相反的電子，若電子軌道都被電子成對地填滿了，它們的自旋磁矩相互抵消，便沒有固有磁矩。通常所見的化合物大多數(shù)屬于這種情況，因而電子順磁共振只能研究具有未成對電子的特殊化合物。三、弛豫時間實驗樣品是含有大量具有不成對電子自旋所組成的系統(tǒng)，雖然各個粒子都具有磁矩，但是在熱運動的擾動下，取向是混亂的，對外的合磁矩為零。當自旋系統(tǒng)處在恒定的外磁場H0中時，系統(tǒng)內各質點的磁矩便以不同的角度取向磁場H0的方向，并繞著外場方向進動，從而形成一個與外磁場方向一致的宏觀磁矩M。當熱平衡

7、時，分布在各能級上的粒子數(shù)服從波耳茲曼定律，即：N2N1?exp(?E2?E1kT)?exp(EkT)式中k是波耳茲曼常數(shù)，k=1.3803×10-16（爾格/度），T是絕對溫度。計算表明，低能級上的粒子數(shù)略比高能級上的粒子數(shù)多幾個。這說明要現(xiàn)實出宏觀的共振吸收現(xiàn)象所必要的條件，既由低能態(tài)向高能級躍遷的粒子數(shù)比由高能級向低能級躍遷的粒子數(shù)要多是滿足的。正是這一微弱的上下能級粒子數(shù)之差提供了我們觀測電子順磁共振現(xiàn)象的可能性。2、實驗裝置微波順磁共振實驗系統(tǒng)由三厘米固態(tài)信號發(fā)生器，隔離器，可變衰減器，波長計，魔T，匹配負載，單螺調配器，晶體檢波器，矩形樣品諧振腔，耦合片，磁共振實驗儀，電

8、磁鐵等組成，為使聯(lián)結方便，增加了H面彎波導，波導支架等元件三厘米固態(tài)信號發(fā)生器：是一種使用體效應管做振蕩源的信號發(fā)生器，為順磁共振實驗系統(tǒng)提供微波振蕩信號。隔離器：位于磁場中的某些鐵氧體材料對于來自不同方向的電磁波有著不同的吸收，經過適當調節(jié)，可使其哦對微波具有單方向傳播的特性。隔離器常用于振蕩器與負載之間，起隔離和單向傳輸作用?？勺兯p器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直與矩形波導的寬邊，縱向插入波導管即成，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動吸收可改變衰減量的大小。衰減器起調節(jié)系統(tǒng)中微波功率以及去耦合的作用。波長表：電磁波通過耦合孔從波導進入頻率計的空腔中，當頻率計的腔體失諧時，腔里的電磁場

9、極為微弱，此時，它基本上不影響波導中波的傳輸。當電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時，發(fā)生諧振，反映到波導中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應地，通過波導中的電磁波信號強度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時的刻度，通過查表可得知輸入微波諧振頻率。匹配負載：波導中裝有很好地吸收微波能量的電阻片或吸收材料，它幾乎能全部吸收入射功率。微波源：微波源可采用反射式速調管微波源或固態(tài)微波源。本實驗采用3cm固態(tài)微波源，它具有壽命長、輸出頻率較穩(wěn)定等優(yōu)點，用其作微波源時，ESR的實驗裝置比采用速調管簡單。因此固態(tài)微波源目前使用比較廣泛。通過調節(jié)固態(tài)微波源諧振腔中心位置的調諧螺釘，可使諧振腔固

10、有頻率發(fā)生變化。調節(jié)二極管的工作電流或諧振腔前法蘭盤中心處的調配螺釘可改變微波輸出功率。魔 T：魔 T是一個具有與低頻電橋相類似特征的微波元器件，如圖（2）所示。它有四個臂，相當于一個ET和一個HT組成，故又稱雙T，是一種互易無損耗四端口網絡，具有“雙臂隔離，旁臂平分”的特性。利用四端口S矩陣可證明，只要1、4臂同時調到匹配，則2、3臂也自動獲得匹配；反之亦然。E臂和H臂之間固有隔離，反向臂2、3之間彼此隔離，即從任一臂輸入信號都不能從相對臂輸出，只能從旁臂輸出。信號從H臂輸入，同相等分給2、3臂；E臂輸入則反相等分給2、3臂。由于互易性原理，若信號從反向臂2，3同相輸入，則E臂得到它們的差信

11、號，H臂得到它們的和信號；反之，若2、3臂反相輸入，則E臂得到和信號，H臂得到差信號。當輸出的微波信號經隔離器、衰減器進入魔 T的H臂，同相等分給2、3臂，而不能進入E臂。3臂接單螺調配器和終端負載；2臂接可調的反射式矩形樣品諧振腔，樣品DPPH在腔內的位置可調整。E臂接隔離器和晶體檢波器；2、3臂的反射信號只能等分給E、H臂，當3臂匹配時，E臂上微波功率僅取自于2臂的反射。 右圖 魔T示意圖樣品腔：樣品腔結構，是一個反射式終端活塞可調的矩型諧振腔。諧振腔的末端是可移動的活塞，調節(jié)活塞位置，使腔長度等于半個波導波長的整數(shù)倍（l?p?g/2）時，諧振腔諧振。當諧振腔諧振時，電磁場沿諧振腔長l方向

12、出現(xiàn)P個長度為?g/2的駐立半波，即TE10P模式。腔內閉合磁力線平行于波導寬壁，且同一駐立半波磁力線的方向相同、相鄰駐立半波磁力線的方向相反。在相鄰兩駐立半波空間交界處，微波磁場強度最大，微波電場最弱。滿足樣品磁共振吸收強，非共振的介質損耗小的要求，所以，是放置樣品最理想的位置。 在實驗中應使外加恒定磁場B垂直于波導寬邊，以滿足ESR共振條件的要求。樣品腔的寬邊正中開有一條窄槽，通過機械傳動裝置可使樣品處于諧振腔中的任何位置并可以從窄邊上的刻度直接讀數(shù)，調節(jié)腔長或移動樣品的位置，可測出波導波長?。3、實驗步驟：1、連接系統(tǒng),將可變衰減器順時針旋至最大, 開啟系統(tǒng)中各儀器的電源,預熱20分鐘。2、將磁共振實驗儀器的旋鈕和按鈕作如下設置: “磁場”逆時針調到最低,“掃場” 逆時針調到最低，按下“調平衡/Y軸”按鈕（注：必須按下），“掃場/檢波”按鈕彈起，處于檢波狀態(tài)。（注：切勿同時按下）。3、將樣品位置刻度尺置于90mm處,樣品置于磁場正中央。4、將單螺調配器的探針逆時針旋至“0"刻度。5、信號源工作于等幅工作狀態(tài),調節(jié)可變衰減器使調諧電表有指示，然后調節(jié)“檢波靈敏度”旋鈕, 使磁共振實驗儀的調諧電表