電子自旋共振-

大學(xué) 近代物理試驗(yàn) 試驗(yàn)報(bào)告成 績(jī)：班級(jí) 姓名： 同組者： 教師：電子自旋共振〔微波〕【試驗(yàn)?zāi)康摹苛私怆娮幼孕舱癫ㄗV的微波系統(tǒng)，生疏一些微波器件的使用方法。通過(guò)對(duì)DPPH征?！绢A(yù)習(xí)問(wèn)題】什么是電子自旋共振?微波段電子自旋共振如何實(shí)現(xiàn)？如何測(cè)量朗德因子？【試驗(yàn)原理】一．原子的自旋磁矩原子中的電子在沿軌道運(yùn)動(dòng)的同時(shí)具有自旋，其自旋角動(dòng)量為p S 〔B3-1〕 g e S 2m S eg SS 1S B

〔B3-2〕 e

g1

J(J1)L(L1)S(S1)B玻爾磁子

2me， 2J(J1) 〔B3-3〕二．電子自旋共振電子自旋磁矩在外恒磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)，受到材料內(nèi)部阻尼作用的影響，生塞曼能級(jí)間的感應(yīng)躍遷。當(dāng)存在外磁場(chǎng)時(shí)，電子的磁矩與外磁場(chǎng)B0的相互作用能為0SzEB0SzS 上式中Sz為磁矩在外磁場(chǎng)方向上的重量，

B 〔B3-4〕〔B3-5〕1

gSz

e M2m e

gMz BM式中

2。分裂的能級(jí)為

E 1gB a 2 B 0E 1 b 2

gBB 0〔B3-6〕能級(jí)間的能量差為

Eg

0BB 〔B3-7〕0依據(jù)磁共振原理，假設(shè)在垂直于B的平面內(nèi)施加一個(gè)角頻率等于ω〔頻率為〕的交0 0變磁場(chǎng)B，當(dāng)滿足條件10B0 hEgB0B0

〔B3-8〕時(shí)，電子就會(huì)吸取此交變磁場(chǎng)的能量，實(shí)現(xiàn)能級(jí)間的躍遷，這就是電子自旋共振現(xiàn)象。設(shè) e g2me 為電子的旋磁比，式〔B3-8〕可以寫(xiě)為一個(gè)等效的式子B0 0 〔B3-9〕三．g因子正如以上所描述的，g因子不僅反映了原子或者離子晶體中電子自旋—軌道相互作用的大小，也反映了塞曼能級(jí)分裂的寬度，在本質(zhì)上顯示局部磁場(chǎng)的特征。四．線寬、弛豫作用實(shí)際上樣品是一個(gè)含有大量不成對(duì)的電子自旋所組成的系統(tǒng)感應(yīng)輻射由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)的概率和因感應(yīng)吸取由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)的概率相等號(hào)供給可能性。隨著凹凸能級(jí)上粒子數(shù)差減小至趨于零，則看不到共振現(xiàn)象，即所謂飽和。能維持下去。1豫時(shí)間T1

表征。二是自旋粒子相互之間交換能量，使它們的旋進(jìn)相位趨于隨機(jī)分布，這種2作用稱自旋—自旋弛豫，由自旋—自旋弛豫時(shí)間用T2

表征。弛豫過(guò)程越快，譜線就越寬，2個(gè)效應(yīng)造成共振譜線展寬，T與譜線的共振線寬h(半高寬)有如下關(guān)系2T 22 h 〔B3-10〕【試驗(yàn)裝置】微波系統(tǒng)、磁場(chǎng)系統(tǒng)〔主磁場(chǎng)、掃場(chǎng)、波導(dǎo)元件【試驗(yàn)內(nèi)容】30幅”工作狀態(tài)；將磁共振試驗(yàn)儀器的旋鈕和按鈕作如下設(shè)置場(chǎng)”逆時(shí)針調(diào)到最低檢波”按鈕按下，處于檢波狀態(tài)。f090mm處，樣品置于磁場(chǎng)正中心。將單螺調(diào)配器的探針順時(shí)針旋至“0”刻度，此時(shí)探針深度最大。調(diào)整可變衰減器使調(diào)諧電表有指示，然后調(diào)整“檢波靈敏度”旋鈕,使磁共振試驗(yàn)2/3以上。9000MHz四周〔用“頻率—，這時(shí)相應(yīng)的檢波電流輸出接近最大。。然后，調(diào)整單螺調(diào)配器探針，使調(diào)諧電表指示最小。假設(shè)磁共振儀電表指示太小，可調(diào)整靈敏度，使指示增大。以上過(guò)程可以反復(fù)調(diào)整，當(dāng)諧振電表指示變化很小時(shí)，可以調(diào)整樣品諧T23臂上的負(fù)載接近對(duì)稱，反射式諧振腔發(fā)生諧振，微波信號(hào)的頻率與腔的f頻率0全都。用波長(zhǎng)表測(cè)定腔的諧振頻率

f0，方法是：旋轉(zhuǎn)波長(zhǎng)表的測(cè)微頭，找到電表跌破點(diǎn)，查波長(zhǎng)表—刻度表即可確定振蕩頻率。測(cè)定完頻率后，將波長(zhǎng)表旋開(kāi)諧振點(diǎn)。二．觀看DPPH自由基的電子共振信號(hào)，測(cè)量相應(yīng)的自旋共振場(chǎng)B0，并確g因子和旋磁比按起“掃場(chǎng)”按鈕。此時(shí)調(diào)諧電表指示為掃場(chǎng)電流的相對(duì)指示，調(diào)整“掃場(chǎng)”旋鈕使電表指示在滿度的一半左右。由小到大調(diào)整恒磁場(chǎng)電流，當(dāng)電流到達(dá)1.72.1A之間時(shí)，示波器上即可消滅電子共振信號(hào)。．調(diào)整恒磁場(chǎng)電流，使電子共振信號(hào)等間隔，此時(shí)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)就是共振場(chǎng)0，用特斯．調(diào)整恒磁場(chǎng)電流，使電子共振信號(hào)等間隔，此時(shí)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)就是共振場(chǎng)0，用特斯0拉計(jì)測(cè)得外磁場(chǎng)Bg因子和旋磁比。0三．觀看單螺調(diào)配器在不同位置時(shí)的點(diǎn)子自旋共振信號(hào)，計(jì)算微波頻率g 1 1.認(rèn)真調(diào)整單螺調(diào)配器位置，在示波器上依次觀看B5-7所示各種信號(hào)，并記錄單螺調(diào)配器的坐標(biāo)位置，依據(jù)2*|xx|計(jì)算波導(dǎo)波長(zhǎng)g，g 1 【留意事項(xiàng)】樣品應(yīng)放在磁場(chǎng)的正中間。假設(shè)共振波形值較小，或示波器圖形顯示欠佳，可承受以下方法：將可變衰器反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，減小衰減量。正時(shí)針調(diào)整“掃場(chǎng)”旋鈕，加大掃場(chǎng)電流。提高示波器的靈敏度。假設(shè)共振波形左右不對(duì)稱，調(diào)整單螺調(diào)配器的深度及左右位置，或略轉(zhuǎn)變樣品在磁場(chǎng)中的位置。【試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】計(jì)算DPPH的朗德因子g。1.磁鐵間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量表BB/mT0369.7358.2355.2358.0365.2

1*(369.7358.2355.2358.0365.2)361.26mT5E0

2fgBB0fhfcguBB0c B 0ghv/B084226公認(rèn)的DPPH的g2.0038E2.00231.9215/2.0030.078 eg/2me

6*119*8422)/(2*9*131)625*111誤差分析：1、使用特斯拉計(jì)測(cè)量磁鐵間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，有時(shí)視數(shù)不穩(wěn)定，取值有肯定的偏差；2、在調(diào)整諧振腔的頻率f3、調(diào)整魔T臂使負(fù)載對(duì)稱，反射式諧振腔放射諧振現(xiàn)象時(shí)的微波信號(hào)頻率和諧振腔的頻率有偏差。計(jì)算的微波頻率與頻率計(jì)讀數(shù)進(jìn)展比較。圖7-2-9 DPPH的吸取與色散信號(hào)2、對(duì)應(yīng)各圖的坐標(biāo)位置記錄表1、).波導(dǎo)波長(zhǎng)： 2|xg 5

-x|2*|38.9-16.3|44.0mm12).樣品諧振腔長(zhǎng)度

lpg2 〔p1,2, p為腔長(zhǎng)方向分布的駐立半波數(shù)〕P=5lp g2

44.02

110.0mm坐標(biāo)位置x坐標(biāo)位置x1x2x3x4x5mm16.320.129.737.038.9微波在自由空間的波長(zhǎng)： 32mmf 9370微波頻率：

〔1〕(p)a〔1〕(p)a2l220c0 0相對(duì)誤差：

3*32.3

9288MHz -f誤差分析：

| 0 |*100%0.875%f12【思考題】1、簡(jiǎn)述微波段電子自旋共振的根本原理。答：樣品置于諧振腔中微波磁場(chǎng)H 的最大處，使其處于相互垂直的穩(wěn)恒磁場(chǎng)B和微mw 0波磁場(chǎng)H 中，與諧振腔一起構(gòu)成諧振系統(tǒng)，當(dāng)滿足共振條件，即微波磁場(chǎng)H 角頻率等mw mwB于 0時(shí)，樣品從微波磁場(chǎng)中吸取能量，破壞諧振狀態(tài)，造成樣品諧振腔的微波反射，反射的微波經(jīng)環(huán)行器進(jìn)入晶體檢波器，由晶體檢波器檢出形成共振信號(hào)。2、在微波段電子自旋共振試驗(yàn)中，應(yīng)怎樣調(diào)整微波系統(tǒng)才能搜尋到共振信號(hào)？答：首先通過(guò)調(diào)整單螺調(diào)配器探針