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1、材料物理实验方法 电子顺磁共振波谱EPR/ESR概论 陈 家 富 jfchen 合肥微尺度物质科学国家实验室（筹） 2017年3月 相关参考书目： 1、John A. Weil and James R. Bolton，Electron Paramagnetic ResonanceElementary Theory and Practical Applications , 2nd Edition, John- Wiley, 2007 2、N.M. Atherton, Principles of electron spin resonance, Ellis Horwood, 1993 3、Mari
2、na Brustolon and Elio Giamello, Electron Paramagnetic Resonance: A Practitioners Toolkit ，John-Wiley, 2009 2017研究生课程 EPR 裘祖文，电子自旋共振波谱，科学出版社， 1980 张建中等，自旋标记ESR波谱的基本理论和应用，科 学出版社 ，1987 陈贤镕，电子自旋共振实验技术，科学出版社 ，1986 赵保路编著，电子自旋共振技术在生物和医学中的应 用，中国科大出版社，2009 姜寿亭, 李卫编著，凝聚态磁性物理，科学出版社， 2006 陈慧兰著，高等无机化学，高等教育出版社，20
3、05 2017研究生课程 EPR 相关网站： 1、 www.ieprs.org 国际EPR/ESR协会 2、 布鲁克公司 3、 www.jeol.co.jp 日本电子 2017研究生课程 EPR 开设本课程的目的与意义： What and Where? Why and How? 2017研究生课程 EPR Resonance 2017研究生课程 EPR 宇宙是在一次剧烈的大爆炸后产生的。而 促使大爆炸产生的根本原因之一，便是共振 。当宇宙还处于浑沌的奇点时，里面就开始 产生了振荡。起初，这种振荡是非常微弱的 。渐渐地，振荡的频率越来越高、越来越强 ，并引起了共振。最后，在共振和膨胀的共 同作用
4、下，导致大爆炸，宇宙在瞬间急剧膨 胀、扩张 共振不仅创造出了宏观的宇宙，而且，微 观物质世界的产生，也与共振有着密不可分 的干系。 2017研究生课程 EPR 2017研究生课程 EPR 每到农历8月18日钱塘江会发生大潮，这现象是因为 月亮的引力所造成的。而只有当太阳、月亮和地球 处于同一直线时，这种大潮才会发生，这也是一种 共振。 2017研究生课程 EPR 磁共振效应： 2017研究生课程 EPR 磁共振效应： 2017研究生课程 EPR 电子顺磁共振 (EPR/ESR) 历史：1945年，前苏联物理学家，柴伏依斯基/或称扎伏伊斯 基 (Zavoisky, N.K.) 观察发现的(J.
5、Phys. USSR 1945, 9, 245) 2017研究生课程 EPR Electron Paramagnetic Resonance, EPR, is a spectroscopic technique, which detects species that have unpaired electrons. 它是直接检测和研究含有未成对电子顺磁性 物质的一种波谱学技术 。 It is also often called ESR, Electron Spin Resonance, ESR. 电子顺磁共振: 2017研究生课程 EPR EPR: Electron paramagnetic
6、resonance ESR: Electron spin resonance EMR: Electron magnetic resonance 早期的研究认为跃迁过程只有电子自旋磁矩的贡献 ，所以采用ESR这个术语。后面发现仅用电子自旋跃 迁是无法完全解释许多实验结果，尤其是来自过渡金 属离子的现象，也就是电子轨道磁矩对于跃迁也是有 所贡献的。所以逐渐使用EPR取代ESR。 2017研究生课程 EPR 发现人发现时间发现内容 Stern and Gerlach1921/22发现电子磁矩的空间量子化 Pauli1924提出核磁矩与电子之间存在超相互作用（ Hyperfine） Uhlenbeck
7、 and Goudsmidt 1925提出电子的自旋及其磁矩特性 Breit and Rabi1931计算H原子能级，指出核自旋与电子自旋角动量耦 合 Rabi, Zacharias, Millman, Kusch 1938第一个NMR实验，测量了原子核磁矩 Zavoisky1945第一个ESR实验 CuCl2.2H2O /4.76mT133MHz Bloch F., Purcell E. M. 1946第一个固体的NMR实验 Griffiths1946第一个铁磁共振FMR实验与理论 Kittel1947 Paulis, Kittel1951第一个反铁磁共振AFMR实验与理论 . ., Dre
8、sselbaus G. 1951/53回旋共振的理论与实验 Mssbauer R. L., Pound R. V. 1958/59Mssbauer效应（无反冲g射线共振吸收） 与磁共振研究相关的重要历史事件： 2017研究生课程 EPR 因磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家 1944年 I.S. Rabi 1952年 F. Bloch, E.M. Purcell 1955年 W.E. Lamb, P. Kusch 1966年 A. Kastler 1977年 J.H. Van Vleck 1989年 N.F. Ramsey, H. G. Dehmelt, W. Paul 1991年 R.R.
9、 Ernst 2002年 K. Wthrich 2003年 P.C. Lauterbur, S. P. Mansfield 2007年 A. Fert, P. Grnberg （到目前为止） 2017研究生课程 EPR 1944年诺贝尔物理学奖授予: 美国拉比, 以表彰他用共振方法纪录原子核磁 特性。 1952年诺贝尔物理学奖授予: 美国布洛赫和美国马萨诸塞州哈佛大学的珀 塞尔, 以表彰他们有关核磁精密测量的新方法及由此所做的发现。 1955年诺贝尔物理学奖一半授予: 美国的库什(P. Kusech), 以表彰他对电子 矩阵所作的精密测定（电子磁矩）。 1966年诺贝尔物理学奖授予: 法国卡斯
10、特勒，发明并发展用于研究原子内 光、磁共振的双共振方法 。 1977年诺贝尔物理学奖授予: 安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国） 对磁性和无序体系电子结构的基础性研究(J. Van Vleck 研究了抗磁性和顺磁 性的量子力学理论 )。 1989年诺贝尔物理学奖授予: 拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在 原子钟中的应用(原子束的振荡场) ; 德默尔特（美国）、保尔（德国）发展原 子精确光谱学和开发离子陷阱技术(精确测量出正、负电子的g因子 )。 2007年诺贝尔物理学奖授予：法国科学家艾尔伯费尔和德国科学家皮特 克鲁伯格，表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献（在磁场作用下，磁性金属内 部电子自
11、旋方向发生改变而导致电阻改变的现象，被称为磁阻效应）。 2017研究生课程 EPR 1991年诺贝尔化学奖授予: 瑞士恩斯特（R. Ernst），以 表彰发明了傅立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术 而获奖。 2002年诺贝尔化学学奖授予: 瑞士维特里希，“发明了利 用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。 2003年诺贝尔生理医学奖授予: 美国科学家保罗劳特布 尔和英国科学家彼得曼斯菲尔德。他们在核磁共振成像技 术上获得关键性发现，这些发现最终导致核磁共振成像仪的 出现。 Raymond Vahan Damadian Fonar Corporation ! ! ! 2017研
12、究生课程 EPR 本课程主要内容： 一、 电子顺磁共振的基本原理 二、 电子顺磁共振的研究对象 三、 电子顺磁共振波谱 四、 电子顺磁共振波谱仪 五、 EPR/ESR应用实例 2017研究生课程 EPR 一、 电子顺磁共振的基本原理 EPR基本原理 1、概述 电子自旋的磁特性 Joseph John Thomson （英国） The Nobel Prize in Physics 1906 In 1891, the Irish physicist, George Stoney, believed that electricity should have a fundamental unit. H
13、e called this unit the electron. The electron was discovered by J.J. Thomson in 1897. The electron was the first sub-atomic particle ever found. It was also the first fundamental particle discovered. The concept of electron spin was discovered by S.A. Goudsmit and George Uhlenbeck in 1925. The elect
14、ron has three basic properties: electric charge, mass and spin. EPR基本原理 古德斯密特、乌伦贝克：荷兰-美国物理学家 EPR基本原理 EPR基本原理 做自旋运动的电子可视为一个微小磁体。 Whats the Electron Spin? EPR基本原理 电子具有电荷，同时电子像陀螺一样绕一个 固定轴旋转，形成有南北极的自旋磁矩。 The electron spin is the electrons electromagnetic field angular momentum. 电子自旋即电子的电磁角动量 电子内禀运动或电子内禀
15、运动量子数的简称。 EPR基本原理 关于自旋电子的一些为什么 浅谈与超导电性对抗的磁性元素Fe, Co, Ni 为什么形成化合物就超导了? 张裕恒 物理 40 卷( 2011 年) 3 期 EPR基本原理 Twinkle twinkle little Spin Are you single or are you twin? Are you real or are you false? How I crave your resonant pulse JOHN A. WEIL EPR基本原理 The technique of electron paramagnetic resonance spec
16、troscopy may be regarded as a fascinating extension of the famed Stern-Gerlach experiment. Uhlenbeck and Goudsmit linked the electron magnetic moment with the concept of electron spin angular momentum. Rabi et al. studied transitions between levels induced by an oscillating magnetic field. This experiment was the first observation of magnetic resonance. EPR
