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1、电子自旋共振波谱仪（ESR ）,MiniScope MT400,一、背景介绍二、实验目的三、实验原理四、实验仪器五、实验内容与步骤六、注意事项七、思考题,提 纲,一、背景介绍 概念,磁共振是指 的原子或原子核在 作用下对 1能的 现象,包括核磁共振 、顺磁共振、光磁共振、铁磁共振。如果磁共振是由物质原子中的电子自旋磁矩引起的，则称电子自旋共振（ESR）,也称为电子顺磁共振(EPR) 。,磁矩不为零,稳恒磁场,电磁辐射,共振吸收,1924泡利（Wolfgang Pauli ）在研究光谱的精细结构时提出电子具有自旋磁矩的设想。,一、背景介绍,历史,Wolfgang Pauli (1900-1958
2、)诺贝尔物理学奖 (1945年),Yevgeny Zavoisky (1917-1976),1944年前苏联的扎沃依斯基首次观察到电子顺磁共振现象。随后电子顺磁共振逐步被用于科学研究。,一、背景介绍,历史,电子自旋共振研究的对象是具有未偶（未配对）电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子以及内电子壳层未被充满的离子，受辐射作用产生的自由基及半导体、金属等。通过共振谱线的研究，可以获得有关分子、原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关物质结构和化学键的信息，故电子自旋共振是一种重要的近代物理实验技术，在物理、化学、材料、生物、医学等领域有广泛的应用。,一、背景介绍,应用,二
3、、实验目的,了解电子顺磁共振的原理。,掌握FD-ESR-II型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法。,利用电子顺磁共振谱仪测量 DPPH的g因子。,三、实验原理,电子的自旋运动产生自旋磁矩。自旋磁矩与自旋角动量之间的关系为：,：旋磁比,：朗德因子。,：电子自旋角动量,B ：玻尔磁子，,当电子磁矩处于外恒定磁场B（假设沿Z轴）中时，电子磁矩与外磁场发生相互作用，相互作用能为：,：磁量子数，对于自由电子，m取1/2、-1/2。,可见，外磁场导致原来简并的原子态发生塞曼能级分裂，相邻能级能量间隔为 。,磁矩在磁场中的塞曼能级分裂,相邻能级能量间隔与外磁场磁感应强度成正比。,此时若沿垂直磁场方向施加一交变
4、的磁场，当交变磁场的能量子 时，原子在相邻塞曼能级之间发生共振跃迁，对入射的交变磁场产生强烈吸收，此即为电子自旋共振。通过测量共振频率和对应的外磁场B，可计算原子的g因子：,原子磁矩完全由电子自旋磁矩贡献：g=2原子磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献：g=1,由原子物理可知：,通过g因子的测量可以判断电子运动的情况，进而可以得知关于原子结构的信息。,实现共振的方法,微波源频率固定(9.37GHz)，连续改变外磁场的磁感应强度，当满足共振条件时发生电子自旋共振。,为满足共振条件 可采用两种方法：扫场法、扫频法，本实验采用扫场法。,9.37G微波辐射,扫场法检测共振信号,通过调节励磁线圈的直流电流，改
5、变恒定磁场的大小，当恒定磁场B02/时，共振吸收信号等间距排列。此时对应的恒定磁感应强度即为共振条件方程中所对应的磁场强度。利用特斯拉计测量该磁感应强度代入共振方程可得g因子的值。,B=B0+Bsint,t,t,B,B,V,V,20ms,20ms,10ms,B0,扫场法测g因子,B,ESR 和NMR 的区别：1. ESR 是研究电子磁矩与外磁场的相互作用，即通常认为的电子塞曼效应引起的，而NMR 是研究核磁矩在外磁场中核塞曼能级间的跃迁。换言之，ESR 和NMR 是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重新取向所需的能量。2. ESR 的共振频率在微波波段。（9.37GHz） NMR 的共振频率在
6、射频波段。（23MHz）3. ESR的灵敏度比NMR 的灵敏度高，ESR检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M数量级。,DPPH分子结构图,本实验采用的样品为DPPH（二苯基苦酸基联氨 ），它的第二个氮原子上存在一个未成对的电子，我们观察到的共振信号就是源于这类电子。,实验样品,四、实验仪器,FD-ESR-II电子顺磁共振仪构成图,电磁铁,扫描线圈,1,6,4,3,2,5,继续,1、微波源：,体效应管,变容二极管,电源输入端+12V,频率调节,微波源由体效应管、变容二极管、频率调节组成。用于输出频率为9.37GHz的微波。,2、隔离器：,特点：具有单向传输功能，减少反射波对微波源的干扰。 1输
7、入，2输出 基本无衰减 2输入，1输出 有极大的衰减,1,2,3、环形器,环形器具有定向传输功能。1输入，2输出无衰减，3输出衰减30db2输入，3输出无衰减，1输出衰减30db3输入，1输出无衰减，2输出衰减30db,1,3,2,4、晶体检波器,测量时要反复调节波导终端的短路活塞的位置以及输入前端三个螺钉的穿伸度，使检波电流达到最大值，以获得较高的测量灵敏度。,金属,金属丝,半导体,瓷壳,金属,检波晶体上的电压V与微波中的电场强度E成正比。为获得最大的检波信号输出，调节短路活塞位置，使它与晶体的距离约为/4,使晶体处于电场最大（驻波波腹）处。,检波晶体管结构图,5、阻抗调配器,它的主要作用是
8、改变微波系统的负载状态。在本实验中主要作用是观察吸收、色散信号。,吸收曲线,色散曲线,6、谐振腔：,谐振腔耦合膜片,可变短路调节器,样品,通过调节可变短路调节器的位置，使微波在谐振腔内形成驻波，得到最强的电子顺磁共振信号。,电子顺磁共振仪前面板,直流输出：此输出端将会输出0600mA的电流，通过直流调节电位器来改变输出电流的大小，使用时连接到一组线圈的接线柱上。扫描输出：此输出端将会输出01000mA的交流电流，其大小由扫描调节电位器来改变，使用时连接到一组线圈的接线柱上。扫频开关：用来改变扫描信号的频率IN与OUT：此两个接头是一组放大器的输入和输出端，放大倍数为10倍，IN端为放大器的输入
9、端，OUT端为放大器的输出端X-out：此输出端为一组正玄波的输出端，X轴幅度为正玄波的幅度调节电位器，X轴相位为正玄波的相位调节电位器,各部分的功能,五、实验内容与步骤,仪器调节,将微波源上的连接线连到主机后面板上的5芯插座上将微波源与隔离器相接（按箭头方向连接）将隔离器的另一端与环型器中的（I）端相连将扭波导与环型器中的（II）端相接将环型器中的（III）端与检波器相接将扭波导的另一端与直波导的一端连接将直波导的另一端与短路活塞相接,微波系统的连接：,1微波源2隔离器3环型器4扭波导5直波导6样品 7短路活塞 8检波器,微波系统装配图,连线方法： 通过连接线将主机上的扫描输出端接到磁铁的一
10、端 将主机上的直流输出端连接在磁铁的另一端 通过Q9连接线将检波器的输出连到示波器上 将微波源与主机相连,直流输出,扫描输出,CH2,示波器,微波源,检波器,主机,电磁铁,系统连线图,DPPH顺磁共振谱线的观测,1、将装有DPPH样品的试管放入微波系统的样品插孔中 ；,2、按照系统电路连接图连接系统个组成部分之间的通信电缆和电源线。,7、将主机的X-out利用Q9连接线连接至示波器的CH1通道，将示波器的XY按钮按下，即可观察到里萨如图形，调节主机的X轴幅度和X轴相位旋钮以及阻抗调配器的旋钮，观察图形的变化。,3、打开电源开关，调节短路活塞，直流输出，调出共振吸收波 形。,4、调节直流调节电位
11、器，使得共振吸收信号等间距。,5、然后调节阻抗调配器上的旋钮观察吸收波形和色散波形。,6、用特斯拉计测定磁铁磁感应强度B，反复测量三次取平均值，根据共振频率和B计算DPPH的g因子。 在用特斯拉计测量磁场之间先将其调零。,利用计算机记录DPPH的吸收曲线,7、实验数据采集完后，可对实验的数据及图形进行保存或打印。,1、检波器的输出接到示波器上；,2、连接在主机扫描输出上的信号线换到锁相放大器上的电流输出端；,3、锁相放大器上的调制输出接在高频线圈（在谐振腔的两侧）的输入端；,4、调节锁相放大器上调制幅度为最大，输入/手调开关打在手调上，通过改变主机上的直流输出的大小，观察示波器，可以看到幅度为
12、1-2mV左右的正弦波；,5、在示波器上出现正弦波后，将此信号送到锁相放大器上的IN端把灵敏度开关打到最灵敏档（5mV）上,把积分时间开关打在最短时间（10ms）上，指针摆动的幅度最大，积分时间最短，信号看的最明显；,6、将锁相放大器上的输入/手调开关打在输入上，点击软件上的运行按钮，即可看出实验采样到的数据与图形。,直流输出,扫描输出,微波源,检波器,主机,电磁铁,锁相放大器,调制输出,电流输出,IN,系统连线图,吸收曲线实验结果（一次微分信号）,六、注意事项,由于仪器的样品是使用玻璃管封装，故在放置样品的时候，要谨防玻璃管折断后破碎。本实验在操作的过程中，要严格按照说明书上说明的操作步骤去
13、做实验，实验中的每一步都需要细心地完成。样品位置和腔长调整不要用力过大、过猛，防止损坏。保护特斯拉计的探头防止挤压磕碰，用后不要拔下探头。实验完毕后，应将仪器上所有电位器都旋到零位，以防止下次开机时的冲击电流将电位器损坏。,七、思考题,从理论上讲，产生磁共振需要加哪几个磁场，它们的作用是什么？顺磁共振信号的强度受哪些因素影响，如何提高信号强度？本实验为何采用微波波段作为信号源？,参考资料,维基百科：Electron paramagnetic resonance 1 吴思诚、王祖铨 近代物理实验 北京大学出版社 图书馆馆藏 超星数字图书馆2 杨福家 原子物理学 高等教育出版社 图书馆馆藏 超星数字图书馆3 王正行 近代物理学 北京大学出版社 图书馆馆藏 超星数字图书馆,Thank You !,谢谢！,
