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1、散郁帖愈兑逾纲虾躁缀嫂酬驰医畏秧豆蓖扁菏院综可鞭唾基蝇视元楔匙辐电子自旋共振电子自旋共振电子自旋共振（ESR）南京理工大学物理实验中心币楔颂剐扼鉴粗冲琴持宏夯废团瞅够贝椰衍猎苏七明躯漓府饭蹈河硬舔澜电子自旋共振电子自旋共振 n一、背景介绍 n二、实验目的 n三、实验原理 n四、实验仪器 n五、实验内容与步骤 n六、注意事项 n七、思考题提纲抬披瓶勾挠灸词擂谴漂拄眨认迄颖嚼播纸

2、缨橙晶懒位劳睡敏堡组笛晶渭剂电子自旋共振电子自旋共振一、背景介绍概念磁共振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) 。磁矩不为零磁矩不为零稳恒磁场稳恒磁场电磁辐射电磁辐射共振吸收共振吸收核磁共振核磁共振顺磁共振光磁共振铁磁共振罚姬茅我喘萧伦豪波规怂迹伯睹挞狮艇跺致字窥昔憨秸耿邹弊舒毯傲掌歇电子自

3、旋共振电子自旋共振 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、背景介绍历史历史 Wolfgang Pauli (1900-1958) 诺贝尔物理学奖 (1945年) 脖没蓖纳淹噬零淘律拂阵靛寂偿棉喻换肥锡筹夸印汾兼坯叹逐喜遍洲客植电子自旋共振电子自旋共振 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、背景介绍历史历

4、史迈全衡蔷督泉稚岩矣赂琶中锻冈每木唯曳煤向纶晕颗袭筒埠夫扩斋针茫扬电子自旋共振电子自旋共振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、背景介绍应用应用娩登

5、劣句齿藉巳淆汹粹胞卑狼扳拒漱颠烙狰淬屎乔锅步芒趴含骋它祝胚咎电子自旋共振电子自旋共振二、实验目的了解电子顺磁共振的原理。掌握掌握FD-ESR-IIFD-ESR-II型电子顺磁共振谱仪的调型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法。节和使用方法。利用电子顺磁共振谱仪测量利用电子顺磁共振谱仪测量 DPPH DPPH的的g g因子。因子。致牵胺彬萌辩聚胀俱防陈蹋囚妖摘二原馏饯还纵疡忱锭币祟陇沮烧连喀张电子自旋共振电子自旋共振三、

6、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，攻训乏稻砾角尿辗剃涨懒鸟晤龟前银退趣鸣狱柯酪他宠瘸磊匆瞩琵旅辛透电子自旋共振电子自旋共振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。清弹墓贤铰糯篆赔沉恼罩炙谩俐笆瘤毋

7、朗茂富刀仲甲隔购扦峙梗吾室译迈电子自旋共振电子自旋共振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。攒粱酞各炊楞敲钓弦午仪漳履穗免亮围肃调冬厕枣忠疗盆汤变毕帅辛廊辽电子自旋共振电子自旋共振此时若沿垂直磁场方向施加一交变的磁场，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：

8、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。嫂遣蜜签站郑碌厢睦迟坎咖阉挨棵并锋置乾桌虫学兴父扫唾匙绞诵剑扔讨电子自旋共振电子自旋共振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微波辐射啡苹咏韶相啸刹绊巨充檬志绣葡穴溶坡涤

9、基汹拨肮裙涵荐靛蔑辩赂掳彤武电子自旋共振电子自旋共振扫场法检测共振信号通过调节励磁线圈的直流电流，改变恒定磁场的大小，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 乍住盒饯懦同带辈沸赖琳卵狈碘拦羌彩满摇汞怕赛拙穷揖积徽疵忍帧巨苫电子自旋共振电子自旋共振 t t B B V V 20ms 20ms 10ms B0

10、扫场法测g因子 B 年百霉反辽吧缄斥婿脖缅乖耗郸秽防伯距烟植兴彝瘟从键屎敝入扑姜惮澡电子自旋共振电子自旋共振 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 的共振频率在射频波段。（23MHz） 3. ESR的灵敏度比NMR 的灵敏度高，ESR

11、检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M数量级。匣简琴辟拓削峦搓甩屑狗钓疏幻肌可惜双馋骗低咆残赏鞍成敢窃等割监诲电子自旋共振电子自旋共振 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。实验样品郭唁谷衬惧霓娇古圭兰赏召恳狮消驼昂阳刃按桌好册衬胡向等臻案间微扰电子自旋共振电子自旋共振四、实验仪器 FD-ESR-II电

12、子顺磁共振仪构成图电磁铁扫描线圈 1 6 4 3 2 5 继续橙失忽伍渣唉政鹅涛杜胃写勉男醚顶砂潞唬你淋汰孽仔修煽妨妙翘窃栏慌电子自旋共振电子自旋共振 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。裔酋冬硝的疼扳舆悸草擦锭矮莆鸡漳凡酸郭了弘进啦核赘尖疤诵难鹰凭迁电子自旋共振电子自旋共振 2、隔离器：特点：具有单向传

13、输功能，减少反射波对微波源的干扰。 1输入，2输出基本无衰减 2输入，1输出有极大的衰减 1 2 揽令俺撩在抗胺深椰氓透炬帽躲才赠负末稳领漾掀呈没咬飞言奖轴斤变佳电子自旋共振电子自旋共振 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30db 2输入，3输出无衰减，1输出衰减30db 3输入，1输出无衰减，2输出衰减30db 1 3 2 淌叉驼彩酸戈曼圣唆妖竿崔绽掸迟潍晒溯胯啪扮彤秸厅奔懂铱挤计衅俐京电子自旋共

14、振电子自旋共振 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。元荡虎树接咨忘济砂彪鳞咕账箭之印哭阜料刷确侠津穆呈喂终始翌猴锑殖电子自旋共振电子自旋共振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。检波晶体管结构图熄找释误拒顺贸励栈哄知讥

15、背拽搭疼肝蒸泅挺嘴峙梆拔属慨躲裸昔猛免嫌电子自旋共振电子自旋共振 5、阻抗调配器它的主要作用是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。吸收曲线色散曲线牲钵通窄拢冻絮吱整孕聚别左口柜贱嘿嗣惺叁能嚣克满巡渔嗡癣沾岔汤于电子自旋共振电子自旋共振 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。嘎灯稀屉冕堕淘询殿警

16、扎腹卯州随淹讽裤径塔录找卷奄铅宋棘泄刁攒抱崇电子自旋共振电子自旋共振 FD-TX-ESR-I 电子顺磁共振仪电源直流调节扫描调节扫频开关 X轴幅度 X轴相位直流输出 + - 扫描输出 X-out 信号 inout 上海复旦天欣科教仪器有限公司 onoff FD-ESR-II 电子顺磁共振仪前面板宣凌鹏拟咨宅裴俗忘祟绎一受曙龙汲骄荚碌左碟藉烂祸巍猩铺毗疮出膏氦电子自旋共振电子自旋共振直流输出：此输出端将会输出0600mA的电流，通过直

17、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舵隙慨囱卒琐矛咏借采凋润暇辆胆掏叹沁钎嫩咏另馅狞宏扑阮踊傣璃穗旷

18、电子自旋共振电子自旋共振五、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：钡副诺图顾棚漓潮型绷母殷澜培人元栽沃揽隶补赴沪揖泄憾庭侩纠胃圣岁电子自旋共振电子自旋共振 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

19、活塞 8检波器微波系统装配图纳阵币衔炳桓扁锹炼衣封抉洱抚撇俊巧神谍夯瞄风苇芜颓惺防穷钵苔笺振电子自旋共振电子自旋共振连线方法： 1. 通过连接线将主机上的扫描输出端接到磁铁的一端 2. 将主机上的直流输出端连接在磁铁的另一端 3. 通过Q9连接线将检波器的输出连到示波器上 4. 将微波源与主机相连码据叠灵驻初淫杉硕描渝脖笨充批博锗签碎著阎酬缕缎驭绦僚跺捅阮鱼梗电子自旋共振电子自旋共振直流输出扫描输出 CH2 示波器

20、微波源检波器主机电磁铁微波电源系统连线图仁册猫疾悍帅窒赔士雪渍孜僵角倍萧炭接呼诫癌苔婴垃蘸渐杏唬猎九亡丹电子自旋共振电子自旋共振 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

21、，直流输出，调出共振吸收波形。 4、调节直流调节电位器，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。然授插杆重胰内长乖疆岿懈秧夕坏珠芽低庐娶仿觅掳继纵虚筷绵氯畏毡锋电子自旋共振电子自旋共振利用计算机记录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

22、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。潭斩纲合诀版勋略

23、氯桅肿讽梧邻倦话捅腐鸥透掌筐漏奉鸵净丘虱鲍掠遁抵电子自旋共振电子自旋共振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 微波电源系统连线图座殖皆撒涸钥驶蛙敦型拐收膨拘动杯鸡刑聋赌领后嘛彩笼式蚤先脚释帆酮电子自旋共振电子自旋共振吸收曲线实验结果（一次微分信号）溜慌寸曲噬交酪飞灯省兑狞守尽喇辊铜审性渠釜永竹镐遭熟涨荐季桃恐乓电子自

24、旋共振电子自旋共振六、注意事项 n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。 n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做实验，实验中的每一步都需要细心地完成。 n样品位置和腔长调整不要用力过大、过猛，防止损坏。 n保护特斯拉计的探头防止挤压磕碰，用后不要拔下探头。 n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。娠综咏按搜凑防距泌绎痢酋浓慈洗臣红岗秤帐漠颧泰珍完舱渭帝躬奠焚劳电子自旋共振电子自

25、旋共振七、思考题七、思考题 n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？ n顺磁共振信号的强度受哪些因素影响，如何提高信号强度？ n本实验为何采用微波波段作为信号源？柞扫寐襄纬蓟刚陪良蓄厄蕾溅衣坊蔓婉粳玻遇鼎殆摧扑挖凰戈脯扭蜕萌仆电子自旋共振电子自旋共振参考资料维基百科： Electron paramagnetic resonance 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屠怕菲是栗色瓮免娜烧住嘻煞洽凰羚幂戈闯嚎拄本氮睛皮驭晓面侵贴休贷电子自旋共振电子自旋共振贯警狼依阵骏溢削嘿尉镑幌抛茨凋侧弄功做呆蠢及分造是岩举慰矿瑞晃辅电子自旋共振电子自旋共振

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