Transcript 点击下载文件

微波电子顺磁共振
•
•
•
•
•
•
•
背景知识
实验目的
实验原理
实验仪器
实验内容
注意事项
课堂思考
背景知识

共振：当外界的振动频率与系统的固有振动频率非常接近时，系
统的振动振幅增强；当二者的频率相同时，系统的振动振幅将急
剧增加，产生所谓的共振吸收。

磁共振：
狭义
物质的磁矩系统在恒定磁场和交变磁场的共同作用下，
当恒定磁场强度与交变磁场频率满足一定关系时，磁
矩系统从交变磁场吸收能量。
广义
电荷或者磁矩（自旋）在恒定磁场和交变磁场的共同
作用下，当恒定磁场强度与交变磁场频率满足一定关
系时，电荷或者磁矩系统从交变磁场吸收能量。

磁共振的类型
电子顺磁共振：（EPR）Electron Paramagnetic Resonance
电子自旋共振：（ESR）Electron Spin Resonance
磁
矩
共
振
电子自旋共振
铁磁共振：（FMR）FerroMagnetic Resonance
亚铁磁共振： （FiMR）FerriMagnetic Resonance
反铁磁共振：（AFMR）AntiFerroMagnetic Resonance
核自旋共振
核磁共振：（NMR）Nuclear Magnetic Resonance
Mössbauer效应：Mössbauer Effect
介子自旋共振
介子自旋共振：（-SR）Muon Spin Resonance
回旋共振（ Cyclotron Resonance）
电荷共振
抗磁共振（ Diamagnetic Resonance）

电子顺磁共振的发现
电子顺磁共振(简称EPR)，是1944年由扎伏伊斯
基首先观察到。它是探测物质中未耦电子以及它们与
周围原子相互作用的非常重要的方法，具有很高的灵
敏度和分辨率，并且具有在测量过程中不破坏样品结
构的优点。目前它在化学、物理、生物和医学等各方
面都获得了广泛的应用。

EPR的研究对象
[1].自由基：自由基指的是在分子中含有一个未成对电子的物质
O2N
N
.
N
C.
NO2
O2N
二苯苦基肼基（DPPH）
三苯甲基
[2].双基（biradical）或多基（polyradical）:在一个分子中含有
两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未成对电子相距较
远，相互作用较弱
H3C
.
O
CH3
CH3
CH3
N
H3C
N
CH3
H3C
CH3
.
O
[3]. 三重态分子（triplet molecule）：化合物的分子轨道中含有两个未成对
电子，但与双基不同的是，两个未成对电子相距很近，彼此之间有很强
的相互作用。如氧分子。它们可以是基态或激发态。
[4]. 过渡金属离子和稀土离子：这类分子在原子轨道中出现未成对电子，如
常见的过渡金属离子 Ti3+（3d1 ）
[5]. 固体中的晶格缺陷：一个或多个电子或空穴陷落在缺陷中或其附近，形
成了一个具有单电子的物质，如面心、体心等。
[6]. 具有奇数电子的原子：如氢、氮、碱金属原子等。
实验目的




熟悉微波器件的特征和各微波器件的作用
以及调节方法；
学习微波顺磁共振吸收和色散信号的调节
方法；
了解如何根据信号源的工作频率估算恒定
磁场强度；
学会利用特斯拉计测算顺磁样品DPPH中
电子的g因子；
实验原理
物质的顺磁性
原子磁矩
原子中个电子的轨道磁矩和自旋磁矩
原子总磁矩
 J  g
磁旋比（回磁比）
B

  g
PJ  PJ
B

朗得因子（g因子）
g  1
J (J  1)  S ( S  1)  L( L  1)
2 J ( J  1)
原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献
g＝2
原子的磁矩完全由电子轨道磁矩贡献
g＝1
原子的磁矩完全由电子轨道磁矩贡献
g＝1～2
精确测量g因子可以了解顺磁物质
的化学键和分子或原子结构的信息
E
E = gβH/2
Zeeman能级劈裂
H
相邻磁能级之间的能量差
H0
E = gβH/2
E  B0
如果在垂直于H的方向上施加频率为hυ的电磁波，当满足下面
条件
hυ＝gβH
处于两能级间的电子发生受激跃迁，导致部分处于低能级中的
电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中 --------顺磁共振现象
热平衡时，高低能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布
N2
 e  E kT
N1
ΔE<<kT
N2
E
 1
N1
kT
ΔE/kT > 0
N 2  N1
高能级的跃迁占主导，EPR表现为对交变磁场能量的净吸收
受激跃迁产生的吸收信号经电子学系统处理可得到
EPR吸收谱线，一般为高斯或洛仑兹线型：
EPR波谱仪记录的吸收信号一般是一次微分线型：
实验仪器
实验内容




熟悉电子自旋共振原理和仪器使用，正确连接实验
仪器；
调节得到电子自旋共振吸收和色散信号，并利用示
波器观察信号，记录信号图形；
利用特斯拉计测量恒定磁场强度，并与理论估算结
果相比较；
根据测得的恒定磁场值，计算出DPPH样品的g因子。
注意事项




实验中采用部分Q9连接线，注意不要生拉硬扯，避免
损坏接线；
注意保持微波系统的水平，样品腔应调整至磁场中心
位置；
调节微波信号时，注意要缓慢调节各部分旋钮，并时
刻注意波形变化；
注意不要磕碰特斯拉计探头，避免造成损坏。
课堂思考

如何判断样品腔位置处于磁场中心位置？

你觉得用特斯拉计所测得磁场与估算磁场差别何在？