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1、近代物理实验电子顺磁共振一、引言电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance, EPR）是由不配对电子 的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中 所含的不配对电子,并探索其周围环境的结构特性。对自由基而言,轨道磁矩几 乎不起作用,总磁矩的绝大部分（99%以上）的贡献来自电子自旋,所以电子顺 磁共振亦称“电子自旋共振”（ESR）。二、实验目的1测定DPPH中电子的g因数；2. 测定共振线宽；3. 掌握电子自旋试验仪的原理及使用三、实验原理电子除了具有质量、电荷,以及在原子中作轨道运动而具有轨道角动量、轨 道磁矩以外，还存在自旋s和自旋
2、磁矩卩，在量子力学中，电子的自旋角动S量为Ps式中s = 1/2为电子自旋量子数，因为电子带电，所以它具有平行于自旋轴 的磁矩,其大小为其中Y称为电子自旋运动的旋磁比。s如果电子处于磁场B中，由于它有自旋磁矩，它就会绕外磁场方向进动。在外磁场中，自旋磁矩只能有某些确定的取向，即卩在外磁场方向上的投影是 S确定的：A = Y m ，szsm是电子的自旋磁量子数，它有2s + 1个值。因s = 1/2，故m只能ss取两个值：土2。所以自旋磁矩在外磁场中只能有两个取向。2一般情况下,原子中电子的磁矩是自旋磁矩与轨道磁矩的矢量和,为了统一 描述，通常引入无量纲的朗德因子g因子，这样电子总磁矩余总角动量
3、之间的 关系可写为Aj = g2TPj = Y jPje其中 j 是电子的总角动量量子数，j = 1 + s , l + s 一 1 ，l - s2jj (j + 1)- 1 (1 + 1)+ s (s + 1) g =1 +(r+ir2me在外磁场方向，电子磁矩的分量为一 1,jeA = Y m = m g jzs sj 2me . mj = 一j , J + 1,J若电子的磁矩用玻尔磁子AB2me为单位来量度，于是有A = m g ajzjB对于电子的轨道运动s = 0 ,j = 1则g = 1，于是Ye二；对于电子的2me自旋运动， j = s ， l = 0，则g = 2于是，丫se。
4、me当电子磁矩处于外磁场B0中，会获得附加势能E = oB = gm a B个子能级，而且相邻两个oj b 0可见，在外磁场中不成对电子的能级会分裂成2J + 1 子能级之间的能量差为口E = g AbB0如果另外再向这个系统加一个弱的交变磁场，并使它的磁场分量 B 的方向与 lB和A组成的平面始终垂直，即绕B方向以A的进动频率转动0 s0s3 = gAo = Y B0此时交变电磁场的能量立3正好等于电子的两个相邻磁能级之间的能量差，因而 系统将吸收电磁场的能量，从低能态跃迁到高能态，这种共振跃迁现象通常只发 生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。四、实验装置体效应微波振荡管
5、，魔T,单螺调配器，可调矩形样品谐振腔五、实验内容1. 接好各微波元件2. 选择微波电源的工作方式为等幅，预热 30分钟3. 将单螺调配器的探针逆时针旋到“0”刻度4. 任意给定一微波频率，用直读频率计测量微波频率，计算波导波长，取 a=2.285cm，根据波导波长的数值，调节传动装置使样品处于微波磁场最强处5. 将检波晶体的输出接到电流表上，用电流表测量微波功率的大小，调节可调矩 形谐振器的可移动活塞，使谐振器共振6调节单螺调配器，使魔T两端阻抗匹配7. 将检波晶体的输出接到磁共振实验仪上，并使磁共振实验仪处于Y轴检波状态, 加上扫描磁场，扫场振幅可调至最大。改变稳恒磁场的大小，在示波器上搜索电 子自旋共振信号8. 用特斯拉计测出电流与磁场大小的关系，并计算出共振时磁场的大小9测定DPPH中的g因子六、思考题1. 在电子顺磁共振实验中，如何测定共振磁场的大小？2用电子顺磁共振方法测量朗德因子g因子时，什么时候测得的g因子是各向异 性的？七、参考文献1 向仁生.顺磁共振测量和应用的基本原理.北京：科学出版社，19652 杨福家.原子物理学.北京：高等教育出版社，19903 周永洽.分子结构分析.北京：化学工业出版社，1991
