順磁共振實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告模板

1、順磁共振實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)原理（1）電子的自旋軌道磁矩與自旋磁矩 l原子中的電子由于軌道運(yùn)動(dòng)，具有軌道磁矩，其數(shù)值為：l號(hào)表示方向同Pl相反。在量子力學(xué)中PePl2me，負(fù)，因而lB1)B2me稱為玻爾磁子。電子除了軌道運(yùn)動(dòng)外，其中e還具有自旋運(yùn)動(dòng)，因此還具有自旋磁矩，其數(shù)值表示為：sePsme。由于原子核的磁矩可以忽略不計(jì)，原子中電子的軌道磁矩和自旋磁矩合成原子的總磁矩：jgej(j1)l(l1)s(s1)Pjg12me，其中g(shù)是朗德因子：2j(j1)。在外磁場(chǎng)中原子磁矩要受到力的作用，其效果是磁矩繞磁場(chǎng)的方向作旋進(jìn)，也就是Pj繞著磁場(chǎng)方向作旋進(jìn)，引入回磁比同時(shí)原子角動(dòng)量Pj和原子總磁矩P

2、jm ,mj,j1,j2,e2me，總磁矩可表示成jPj。j取向是量子化的。Pj在外磁場(chǎng)方向上的投影為：其中m稱為磁量子數(shù)，相應(yīng)磁矩在外磁場(chǎng)方向上j。的投影為： jmmgB ;mj,j1,j2,（2）電子順磁共振 j。原子磁矩與外磁場(chǎng)B相互作用可表示為：EjBmgBBmB。不同的磁量子數(shù)m所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)表示不同的磁能級(jí)，相鄰磁能級(jí)間的能量差為EB，它是由原子受磁場(chǎng)作用而旋進(jìn)產(chǎn)生的附加能量。如果在原子所在的穩(wěn)定磁場(chǎng)區(qū)又疊加一個(gè)與之垂直的交變磁場(chǎng)，且角頻率滿足條件gBB，即EB，剛好滿足原子在穩(wěn)定外磁場(chǎng)中的鄰近二能級(jí)差時(shí)，二鄰近能級(jí)之間就有共振躍遷，我們稱之為電子順磁共振。 P當(dāng)原子結(jié)合成分子或固體

3、時(shí)，由于電子軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量常是猝滅的，即j近似為零，所以分子和固體中的磁矩主要是電子自旋磁矩的貢獻(xiàn)。根據(jù)泡利原理，一個(gè)電子軌道最多只能容納兩個(gè)自旋相反的電子，若電子軌道都被電子成對(duì)地填滿了，它們的自旋磁矩相互抵消，便沒有固有磁矩。通常所見的化合物大多數(shù)屬于這種情況，因而電子順磁共振只能研究具有未成對(duì)電子的特殊化合物。（3）弛豫時(shí)間實(shí)驗(yàn)樣品是含有大量具有不成對(duì)電子自旋所組成的系統(tǒng)，雖然各個(gè)粒子都具有磁矩，但是在熱運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)下，取向是混亂的，對(duì)外的合磁矩為零。當(dāng)自旋系統(tǒng)處在恒定的外磁場(chǎng)H0中時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的磁矩便以不同的角度取向磁場(chǎng)H0的方向，并繞著外場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)，從而形成一個(gè)與外磁場(chǎng)方向一致的

4、宏觀磁矩M。當(dāng)熱平衡時(shí)，分布在各能級(jí)上的粒子數(shù)服從波耳茲曼定律，即：N2EE1Eexp(2)expN1kTkT式中k是波耳茲曼常數(shù)，k=1.3803×10-16（爾格/度），T是絕對(duì)溫度。計(jì)算表明，低能級(jí)上的粒子數(shù)略比高能級(jí)上的粒子數(shù)多幾個(gè)。這說(shuō)明要現(xiàn)實(shí)出宏觀的共振吸收現(xiàn)象所必要的條件，既由低能態(tài)向高能級(jí)躍遷的粒子數(shù)比由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷的粒子數(shù)要多是滿足的。正是這一微弱的上下能級(jí)粒子數(shù)之差提供了我們觀測(cè)電子順磁共振現(xiàn)象的可能性。二、實(shí)驗(yàn)裝置微波順磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三厘米固態(tài)信號(hào)發(fā)生器，隔離器，可變衰減器，波長(zhǎng)計(jì)，魔T，匹配負(fù)載，單螺調(diào)配器，晶體檢波器，矩形樣品諧振腔，耦合片，磁共振實(shí)

5、驗(yàn)儀，電磁鐵等組成，為使聯(lián)結(jié)方便，增加了H面彎波導(dǎo)，波導(dǎo)支架等元件。（1）三厘米固態(tài)信號(hào)發(fā)生器：是一種使用體效應(yīng)管做振蕩源的信號(hào)發(fā)生器，為順磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供微波振蕩信號(hào)。（2）隔離器：位于磁場(chǎng)中的某些鐵氧體材料對(duì)于來(lái)自不同方向的電磁波有著不同的吸收，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)，可使其哦對(duì)微波具有單方向傳播的特性。隔離器常用于振蕩器與負(fù)載之間，起隔離和單向傳輸作用。（3）可變衰減器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直與矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管即成，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動(dòng)吸收可改變衰減量的大小。衰減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率以及去耦合的作用。（4）波長(zhǎng)表：波通過(guò)耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計(jì)的空腔中，當(dāng)頻

6、率計(jì)的腔體失諧時(shí)，腔里的電磁場(chǎng)極為微弱，此時(shí)，它基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時(shí)，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過(guò)波導(dǎo)中的電磁波信號(hào)強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時(shí)的刻度，通過(guò)查表可得知輸入微波諧振頻率。（5）匹配負(fù)載：波導(dǎo)中裝有很好地吸收微波能量的電阻片或吸收材料，它幾乎能全部吸收入射功率。（6）微波源：微波源可采用反射式速調(diào)管微波源或固態(tài)微波源。本實(shí)驗(yàn)采用3cm固態(tài)微波源，它具有壽命長(zhǎng)、輸出頻率較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，用其作微波源時(shí)，ESR的實(shí)驗(yàn)裝置比采用速調(diào)管簡(jiǎn)單。因此固態(tài)微波源目前使用比較廣泛。通過(guò)調(diào)節(jié)固態(tài)微

7、波源諧振腔中心位置的調(diào)諧螺釘，可使諧振腔固有頻率發(fā)生變化。調(diào)節(jié)二極管的工作電流或諧振腔前法蘭盤中心處的調(diào)配螺釘可改變微波輸出功率。（7）魔 T：魔 T是一個(gè)具有與低頻電橋相類似特征的微波元器件，如圖（2）所示。它有四個(gè)臂，相當(dāng)于一個(gè)ET和一個(gè)HT組成，故又稱雙T，是一種互易無(wú)損耗四端口網(wǎng)絡(luò)，具有“雙臂隔離，旁臂平分”的特性。利用四端口S矩陣可證明，只要1、4臂同時(shí)調(diào)到匹配，則2、3臂也自動(dòng)獲得匹配；反之亦然。E臂和H臂之間固有隔離，反向臂2、3之間彼此隔離，即從任一臂輸入信號(hào)都不能從相對(duì)臂輸出，只能從旁臂輸出。信號(hào)從H臂輸入，同相等分給2、3臂；E臂輸入則反相等分給2、3臂。由于互易性原理，若

8、信號(hào)從反向臂2，3同相輸入，則E臂得到它們的差信號(hào)，H臂得到它們的和信號(hào)；反之，若2、3臂反相輸入，則E臂得到和信號(hào)，H臂得到差信號(hào)。當(dāng)輸出的微波信號(hào)經(jīng)隔離器、衰減器進(jìn)入魔 T的H臂，同相等分給2、3臂，而不能進(jìn)入E臂。3臂接單螺調(diào)配器和終端負(fù)載；2臂接可調(diào)的反射式矩形樣品諧振腔，樣品DPPH在腔內(nèi)的位置可調(diào)整。E臂接隔離器和晶體檢波器；2、3臂的反射信號(hào)只能等分給E、H臂，當(dāng)3臂匹配時(shí)，E臂上微波功率僅取自于2臂的反射。（8）樣品腔：樣品腔結(jié)構(gòu)，是一個(gè)反射式終端活塞可調(diào)的矩型諧振腔。諧振腔的末端是可移動(dòng)的活塞，調(diào)節(jié)活塞位置，使腔長(zhǎng)度等于半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍lpg/2時(shí)，諧振腔諧振。當(dāng)諧振腔諧

9、振時(shí)，電磁場(chǎng)沿諧振腔長(zhǎng)l方向出現(xiàn)P/2個(gè)長(zhǎng)度為g的駐立半波，即TE10P模式。腔內(nèi)閉合磁力線平行于波導(dǎo)寬壁，且同一駐立半波磁力線的方向相同、相鄰駐立半波磁力線的方向相反。在相鄰兩駐立半波空間交界處，微波磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，微波電場(chǎng)最弱。滿足樣品磁共振吸收強(qiáng)，非共振的介質(zhì)損耗小的要求，所以，是放置樣品最理想的位置。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)使外加恒定磁場(chǎng)B垂直于波導(dǎo)寬邊，以滿足ESR共振條件的要求。樣品腔的寬邊正中開有一條窄槽，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置可使樣品處于諧振腔中的任何位置并可以從窄邊上的刻度直接讀數(shù)，調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)或移動(dòng)樣品的位置，可測(cè)出波導(dǎo)波長(zhǎng)。三、實(shí)驗(yàn)步驟（1）連接系統(tǒng),將可變衰減器順時(shí)針旋至最大, 開啟系統(tǒng)中各儀器

10、的電源,預(yù)熱20分鐘。（2）按使用說(shuō)明書調(diào)節(jié)各儀器至工作狀態(tài)。（3）調(diào)節(jié)微波橋路，用波長(zhǎng)表測(cè)定微波信號(hào)的頻率，使諧振腔處于諧振狀態(tài)，將樣品置于交變磁場(chǎng)最強(qiáng)處。（4）調(diào)節(jié)晶體檢波器輸出最靈敏，并由波導(dǎo)波長(zhǎng)的計(jì)算值大體確定諧振腔長(zhǎng)度及樣品所在位置，然后微調(diào)諧振腔的長(zhǎng)度使諧振腔處于諧振狀態(tài)。（5）搜索共振信號(hào)，按下掃場(chǎng)按扭，調(diào)節(jié)掃場(chǎng)旋鈕改變掃場(chǎng)電流，當(dāng)磁場(chǎng)滿足共振條件時(shí)，在示波器上便可看到共振信號(hào)。調(diào)節(jié)儀器使共振信號(hào)幅度最大，波形對(duì)稱。（6）使用高斯計(jì)測(cè)定磁共振儀輸出電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值關(guān)系曲線，確定共振時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。（7）根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算出g因子。篇二：電子順磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告【實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】電子順

11、磁共振譜儀是根據(jù)電子自旋磁矩在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)與外部高頻電磁場(chǎng)相互作用，對(duì)電磁波共振吸收的原理而設(shè)計(jì)的。因?yàn)殡娮颖旧磉\(yùn)動(dòng)受物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的影響，所以電子自旋共振成為觀察物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種手段。又因?yàn)殡娮禹槾殴舱褡V儀具有極高的靈敏度，并且觀測(cè)時(shí)對(duì)樣品沒有破壞作用，所以電子順磁共振譜儀被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)生命領(lǐng)域?！緦?shí)驗(yàn)原理】具有未成對(duì)電子的物質(zhì)置于靜磁場(chǎng)B中，由于電子的自旋磁矩與外部磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致電子的基態(tài)發(fā)生塞曼能級(jí)分裂，當(dāng)在垂直于靜磁場(chǎng)方向上所加橫向電磁波的量子能量等于塞曼分裂所需要的能量，即滿足共振條件B，此時(shí)未成對(duì)電子發(fā)生能級(jí)躍遷。 Bloch根據(jù)經(jīng)典理論力學(xué)和部分量

12、子力學(xué)的概念推導(dǎo)出Bloch方程。Feynman、Vernon、Hellwarth在推導(dǎo)二能級(jí)原子系統(tǒng)與電磁場(chǎng)作用時(shí)，從基本的薛定諤方程出發(fā)得到與Bloch方程完全相同的結(jié)果，從而得出Bloch方程適用于一切能級(jí)躍遷的理論，這種理論被稱之為FVH表象?！緦?shí)驗(yàn)儀器】電子順磁共振儀主機(jī)、磁鐵、示波器、微波系統(tǒng)（包括微波源、隔離器、阻抗調(diào)配器、鈕波導(dǎo)、直波導(dǎo)、可變短路器及檢波器）、Q9連接線2根、電源線1根、支架3個(gè)、插片連接線4根。【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】1） 先把三個(gè)支架放到適當(dāng)?shù)奈恢?，再將微波系統(tǒng)放到支架上，調(diào)節(jié)支架的高低，使得微波系統(tǒng)水平放置，最后把裝有DPPH樣品（二苯基苦酸基聯(lián)氨，分子式為(C6H5

13、)2NNC6H2(HO2)5）的試管放在微波系統(tǒng)的樣品插孔中；2） 將微波源的輸出與主機(jī)后部微波源的電源接頭相連，再將電子順磁共振儀面板上的直流輸出與磁鐵上的一組線圈的輸入相連，掃描輸出與磁鐵面板上的另一組線圈相連，最后將檢波輸出與示波器的輸入端相連；3） 打開電源開關(guān)，將示波器調(diào)至直流擋；將檢波器的輸出調(diào)至直流最大，再調(diào)節(jié)短路活塞，使直流輸出最??；將示波器調(diào)至交流檔，并調(diào)節(jié)直流調(diào)節(jié)電位器，使得輸出信號(hào)等間距；4）用Q9連接線一端接電子順磁共振儀主機(jī)面板上右下XOUT端，另一端接示波器CH1 通道，調(diào)節(jié)短路活塞觀察李薩如圖形；5）在環(huán)形器和扭波導(dǎo)之間加裝阻抗調(diào)配器，然后調(diào)節(jié)檢波器和阻抗調(diào)配器上的旋鈕觀察色散波形?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】（注：以下數(shù)據(jù)不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，僅供實(shí)驗(yàn)時(shí)參考）1） 調(diào)節(jié)適當(dāng)可以觀察到共振信號(hào)波形如圖2所示：圖2 吸收信號(hào)2） 可以觀察到李薩如圖形如圖3所示：圖3 李薩如圖形3） 可以觀察到色散圖如圖4所示：圖4 色散信號(hào)T，又因?yàn)槲⒉l率為4）用特斯拉計(jì)可以測(cè)定磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B0.340f9.37GHz9.37109Hz，根據(jù)B，可以