電子自旋共振波譜儀ESR課件

電子自旋共振波譜儀（ESR）MiniScopeMT400電子自旋共振波譜儀（ESR）MiniScopeMT400一、背景介紹二、實驗?zāi)康娜嶒炘硭?、實驗儀器五、實驗內(nèi)容與步驟六、注意事項七、思考題提綱一、背景介紹提綱一、背景介紹－－概念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一、背景介紹－－概念磁共振是指1924泡利（WolfgangPauli）在研究光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)時提出電子具有自旋磁矩的設(shè)想。一、背景介紹－－歷史WolfgangPauli(1900-1958)諾貝爾物理學(xué)獎(1945年)

1924泡利（WolfgangPauli）在研究光譜的精YevgenyZavoisky(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－－歷史YevgenyZavoisky(1917-1976)1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驗技術(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－－應(yīng)用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)，如具有二、實驗?zāi)康牧私怆娮禹槾殴舱竦脑?。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。二、實驗?zāi)康牧私怆娮禹槾殴舱竦脑?。掌握FD-ESR-II型三、實驗原理電子的自旋運(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：：旋磁比：朗德因子。：電子自旋角動量μB

：玻爾磁子，三、實驗原理電子的自旋運(yùn)動產(chǎn)生自旋磁矩。自旋磁矩與自旋角動量當(dāng)電子磁矩μ處于外恒定磁場B（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：：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。當(dāng)電子磁矩μ處于外恒定磁場B（假設(shè)沿Z軸）中時，電子磁矩與外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。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)度此時若沿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ω和對應(yīng)的外磁場B，可計算原子的g因子：

原子磁矩完全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。此時若沿垂直磁場方向施加一交變的磁場，當(dāng)交變磁場的能量子實現(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，本實驗采用掃場法。9.37G微波輻射實現(xiàn)共振的方法微波源頻率固定(9.37GHz)，連續(xù)改變外磁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B0＝2ν/γ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。利用特斯拉計測量該磁感應(yīng)強(qiáng)度代入共振方程可得g因子的值。B=B0+B’sinωt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ttBBVV20ms20ms10msB0掃場法測g因子ΔBttBBVV20ms20ms10msB0掃場法測g因子ΔBESR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。ESR和NMR的區(qū)別：DPPH分子結(jié)構(gòu)圖本實驗采用的樣品為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。實驗樣品DPPH分子結(jié)構(gòu)圖本實驗采用的樣品為DPPH（二苯基苦酸基聯(lián)四、實驗儀器FD-ESR-II電子順磁共振儀構(gòu)成圖電磁鐵掃描線圈164325繼續(xù)四、實驗儀器FD-ESR-II電子順磁共振儀構(gòu)成圖電磁1、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。1、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2、隔離器：特點：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輸出有極大的衰減122、隔離器：特點：具有單向傳輸功能，減少反射波對微波源的干擾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>30db2輸入，3輸出無衰減，1輸出衰減>30db3輸入，1輸出無衰減，2輸出衰減>30db1323、環(huán)形器環(huán)形器具有定向傳輸功能。1324、晶體檢波器

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。4、晶體檢波器測量時要反復(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λ/4,使晶體處于電場最大（駐波波腹）處。檢波晶體管結(jié)構(gòu)圖金屬金屬絲半導(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5、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)。在本實驗中主要作用是觀察吸收、色散信號。吸收曲線色散曲線5、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6、諧振腔：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。6、諧振腔：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inoutonoff電子順磁共振儀前面板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直流輸出：此輸出端將會輸出0－600mA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0－1000mA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直流輸出：此輸出端將會輸出0－600mA的電流，通過直流調(diào)節(jié)五、實驗內(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：五、實驗內(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1－微波源2－隔離器3－環(huán)型器4

－扭波導(dǎo)微波系連線方法：通過連接線將主機(jī)上的掃描輸出端接到磁鐵的一端將主機(jī)上的直流輸出端連接在磁鐵的另一端通過Q9連接線將檢波器的輸出連到示波器上將微波源與主機(jī)相連連線方法：直流輸出掃描輸出CH2示波器微波源檢波器主機(jī)電磁鐵微波電源系統(tǒng)連線圖直流輸出掃描輸出CH2示波器微波源檢波器主機(jī)電磁鐵微波電源系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X－Y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、用特斯拉計測定磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度B，反復(fù)測量三次取平均值，根據(jù)共振頻率ω和B計算DPPH的g因子。在用特斯拉計測量磁場之間先將其調(diào)零。DPPH順磁共振譜線的觀測1、將裝有DPPH樣品的試管放入微利用計算機(jī)記錄DPPH的吸收曲線7、實驗數(shù)據(jù)采集完后，可對實驗的數(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/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，點擊軟件上的運(yùn)行按鈕，即可看出實驗采樣到的數(shù)據(jù)與圖形。利用計算機(jī)記錄DPPH的吸收曲線7、實驗數(shù)據(jù)采集完后，可對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)制輸出電流吸收曲線實驗結(jié)果（一次微分信號）吸收曲線實驗結(jié)果（一次微分信號）六、注意事項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。本實驗在操作的過程中，要嚴(yán)格按照說明書上說明的操作步驟去做實驗，實驗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)特斯拉計的探頭防止擠壓磕碰，用后不要拔下探頭。實驗完畢后，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。六、注意事項七、思考題從理論上講，產(chǎn)生磁共振需要加哪幾個磁場，它們的作用是什么？順磁共振信號的強(qiáng)度受哪些因素影響，如何提高信號強(qiáng)度？本實驗為何采用微波波段作為信