内容发布更新时间 : 2024/12/28 11:39:03星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

.

电子自旋共振

摘要：电子自旋共振是近代物理学的一个重要发现，该现象目前已经被广泛的应用。本文主要介绍基于FD-ESR-C型微波电子自旋共振实验仪的实验原理、实验装置、实验方法、实验步骤等。

关键词：近代物理实验；微波；电子自旋共振；g因子；

【1】引言

电子顺磁共振（电子自旋共振）是1944年由前苏联的扎伏伊斯基首先观察到的。它是指电子自旋磁矩在磁场中受到响应频率的电磁波作用时，在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。这种现象在具有未成对自旋磁矩的顺磁物质（即含有未耦电子的化合物）中能够观察到，因此，电子顺磁共振是探测物质中未耦电子以及它们与周围原子相互作用，从而获得有关物质微观结构信息的重要方法。这种方法具有有很高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行细致分析而不破坏样品结构以及对化学反应无干扰等优点。本实验要求观察电子自旋共振现象，测量DPPH中电子的g因子。

.

.

【2】实验原理

本实验采用含有自由基的有机物“DPPH”，其分子式为

C6H5)2N?NC6H2(NO2)3 ，称为“二苯基苦酸基联氨”，其结构式如图所示：

在第二个氮原子上存在一个未成对电子——自由基，ESR就是观测该电子的自旋共振现象。对于这种“自由电子”没有轨道磁矩，只有自旋磁矩，因此实验中观察到的共振现象为ESR，也就是电子自旋共振。这里需要指出这种“自由电子”也并不是完全自由的，它的 ge值为(2.0023±0.0002)，DPPH的ESR信号很强，其ge值常用作测量其值接近2.00的样品的一个标准信号，通过对各种顺磁物质的共振吸收谱线ge因子的测量，可以精确测量电子能级的差异，从而获得原子结构的信息。

自由电子的自旋磁矩和外加恒定磁场 B0相互作用将使基态能级发生分裂 , 2 个能级之间的能量差ΔE与外加磁场 B 0 的大小成正比:

Δ E = g μBB0 （1）

式中g的值是Lande因子或劈裂因子。完全自由电子的 g 值是 2.00232 , 为一个无量纲的常量。μB= he/4πe是Bohr 磁子。若在垂直于静磁场的方向加一个频率为ν的微波交变磁场 , 当微波频率ν与直流静磁场 B0 满足关系式：

hν= Δ E = μB gB0

（2）

时 , 将有少量处于低能级上的电子从微波磁

场吸收能量，跃迁到高能级上去。这种现象称之为电子自旋共振或电子顺磁共振，式 ( 2 ) 称为共振条件 . 由式 ( 2 ) 得到：g=h?/μBB0

(3)

.

.

可见 g 因子的测量精度决定于微波频率和共振磁场的准确测量。

原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋，其自旋角动量为：

（4）

其中S是电子自旋量子数，S=1/2。

电子的自旋角动量PS与自旋磁矩μS间的关系为

其中：me为电子质量；g的具体表达式为：

（5）

（6）

【3】实验仪器

实验仪由三部分组成：磁铁系统，微波系统，实验主机系统，实验时配有双跟踪示波器从右往左依次为微波源（上面为双跟踪示波器），隔离器，环形器（另一边有检波器），双T调配器，频率计，扭波导，谐振腔，短路活塞。

.