微波段电子自旋共振实验

微波段电子自旋共振实验【实验目的】1.了解和掌握各个微波波导器件的功能和调节方法。2.了解电子自旋共振的基本原理，比较电子自旋共振与核磁共振各自的特点。3．观察在微波段电子自旋共振现象，测量DPPH样品自由基中电子的朗德因子。4.理解谐振腔中TE10波形成驻波的情况，调节样品腔长，测量不同的共振点，确定波导波长。5．根据DPPH样品的谱线宽度，估算样品的横向弛豫时间。【实验仪器】FD-ESR-C型微波电子自旋共振实验仪，双踪示波器【实验原理】概述:电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年，S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功。Stern和Ger1aok也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。电子自旋共振(ElectronSpinResonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(缩写为EPR,ParamagneticResonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能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。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子、研究半导体中的杂质和缺陷、离子晶体的结构、金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以，ESR是一种重要的近代物理实验技术。ESR的研究对象是具有不成对电子的物质，如(1)具有奇数个电子的原子，象氢原子；(2)内电子壳层未被充满的离子，如过渡族元素的离子；(3)具有奇数个电子的分子，如NO；(4)某些虽不含奇数个电子，但总角动量不为零的分子，如O2；(5)在反应过程中或物质因受辐射作用产生的自由基；(6)金属半导体中的未成对电子等等，通过对电子自旋共振波谱的研究，即可得到有关分子、原子或离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关的物理结构和化学键方面的知识。用电子自旋共振方法研究未成对的电子，可以获得其它方法不能得到或不能准确得到的数据。如电子所在的位置，游离基所占的百分数等等。一、仪器简介FD-ESR-C型微波电子自旋共振实验装置主要由四部分组成：磁铁系统、微波系统、实验主机系统。它主要用来测量DPPH样品的ESR吸收谱线，测量g因子，并分析微波系统的特性。如图1所示。-1-图1FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪FD-ESR-C型微波电子自旋共振实验仪技术指标：1．短路活塞调节范围0－65mm2．样品管外径4.8mm3．微波频率计测量范围8.2GHz-12.4GHz分辨率0.005GHz4．数字式高斯计测量范围0－2T分辨率0.0001T5.波导规格：BJ-100(波导内尺寸：22.86mm×10.16mm)二、注意事项1.磁极间隙在仪器出厂前已经调整好，实验时最好不要自行调节，以免偏离共振磁场过大。2.保护好高斯计探头，避免弯折、挤压。3.励磁电流要缓慢调整，同时仔细注意波形变化，才能辨认出共振吸收峰。三、实验原理1．实验样品本实验测量的标准样品为含有自由基的有机物DPPH（Di-phenyl-picryl-Hydrazyl），称为二苯基苦酸基联氨，分子式为3226256)()(NOHNCNHC，结构式如图2所示。图2DPPH的分子结构式它的第二个N原子少了一个共价键，有一个未偶电子，或者说一个未配对的“自由电子”，是一个稳定的有机自由基。对于这种自由电子，它只有自旋角动量而没有轨道角动量。或者说它的轨道角动量完全猝灭了。所以在实验中能够容易地观察到电子自旋共振现象。由于DPPH中的“自由电子”并不是完全自由的，其g因子标准值为2.0036，标准线宽为2.7×10-4T。2．电子自旋共振（ESR）与核磁共振（NMR）的比较。电子自旋共振（ESR）和核磁共振（NMR）分别研究未偶电子和磁性核塞曼能级间的共振跃迁，基本原理和实验方法上有许多共同之处，如共振与共振条件的经典处理，量子力学描述、弛豫理论-2-及描述宏观磁化矢量的唯象布洛赫方程等。由于玻尔磁子和核磁子之比等于质子质量和电子质量之比1836.152710（37）（1986年国际推荐值），因此，在相同磁场下核塞曼能级裂距较电子塞曼能级裂距小三个数量级。这样在通常磁场条件下ESR的频率范围落在了电磁波谱的微波段，所以在弱磁场的情况下，可以观察电子自旋共振现象。根据玻尔兹曼分布规律，能级裂距大，上、下能级间粒子数的差值也大，因此ESR的灵敏度较NMR高，可以检测低至10-4mol的样品，例如半导体中微量的特殊杂质。此外，由于电子磁矩较核磁矩大三个数量级，电子的顺磁弛豫相互作用较核弛豫相互作用强很多，纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2一般都很短，因此除自由基外，ESR谱线一般都较宽。ESR只能考察与未偶电子相关的几个原子范围内的局部结构信息，对有机化合物的分析远不如NMR优越；但是ESR能方便的用于研究固体。ESR的最大特点，在于它是检测物质中未偶电子唯一直接的方法，只要材料中有顺磁中心，就能够进行研究。即使样品中本来不存在未偶电子，也可以用吸附、电解、热解、高能辐射、氧化还原等化学反应和人工方法产生顺磁中心。3．电子自旋共振条件由原子物理学可知，原子中电子的轨道角动量lP和自旋角动量sP会引起相应的轨道磁矩l和自旋磁矩s，而lP和sP的总角动量jP引起相应的电子总磁矩为jejPmeg（1）式中em为电子质量，e为电子电荷，负号表示电子总磁矩方向与总角动量方向相反，g是一个无量纲的常数，称为朗德因子。按照量子理论，电子的L-S耦合结果，朗德因子为)1(2)1()1()1(1JJLLSSJJg（2）式中L,S分别为对原子角动量J有贡献的各电子所合成的总轨道角动量和自旋角动量量子数。由上式可见，若原子的磁矩完全由电子自旋所贡献（JSL,0），则2g，反之，若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献（0,SJL），则1g。若两者都有贡献，则g的值在1与2之间。因此，g与原子的具体结构有关，通过实验精确测定g的数值可以判断电子运动状态的影响，从而有助于了解原子的结构。通常原子磁矩的单位用波尔磁子B表示，这样原子中的电子的磁矩可以写成jjBjPPg（3）式中称为旋磁比-3-Bg（4）由量子力学可知，在外磁场中角动量jP和磁矩j在空间的取向是量子化的。在外磁场方向（Z轴）的投影mPz（5）mz（6）式中m为磁量子数，jjjm,,1,。当原子磁矩不为零的顺磁物质置于恒定外磁场0B中时，其相互作用能也是不连续的，其相应的能量为000BmgBmBEBj（7）不同磁量子数m所对应的状态上的电子具有不同的能量。各磁能及是等距分裂的，两相邻磁能级之间的能量差为00BgEB（8）若在垂直于恒定外磁场0B方向上加一交变电磁场，其频率满足E（9）当0时，电子在相邻能级间就有跃迁。这种在交变磁场作用下，电子自旋磁矩与外磁场相互作用所产生的能级间的共振吸收（和辐射）现象，称为电子自旋共振（ESR）。式（9）即为共振条件，可以写成0BgB＝（10）或者0BhgfB（11）对于样品DPPH来说，朗德因子参考值为0036.2g，将B，h和g值带入上式可得（这里取11110)52(78838263.5TMeVB，sMeVh21101356692.4）-4-08043.2Bf（12）在此0B的单位为高斯（1Gs=410T），f的单位为兆赫兹（MHz），如果实验时用cm3波段的微波，频率为9370MHz，则共振时相应的磁感应强度要求达到3342Gs。共振吸收的另一个必要条件是在平衡状态下，低能态1E的粒子数1N比高能态2E的粒子数2N多，这样才能够显示出宏观（总体）共振吸收，因为热平衡时粒子数分布服从玻尔兹曼分布kTEENN1221exp（13）由（13）式可知，因为12EE，显然有21NN，即吸收跃迁（21EE）占优势，然而随着时间推移以及12EE过程的充分进行，势必使2N与1N之差趋于减小，甚至可能反转，于是吸收效应会减少甚至停止，但实际并非如此，因为包含大量原子或离子的顺磁体系中，自旋磁矩之间随时都在相互作用而交换能量，同时自旋磁矩又与周围的其他质点（晶格）相互作用而交换能量，这使处在高能态的电子自旋有机会把它的能量传递出去而回到低能态，这个过程称为弛豫过程，正是弛豫过程的存在，才能维持着连续不断的磁共振吸收效应。弛豫过程所需的时间称为弛豫时间T，理论证明21121TTT＋（14）1T称为“自旋－晶格弛豫时间”，也称为“纵向弛豫时间”，2T称为“自旋－晶格弛豫时间”，也称为“横向弛豫时间”。4．谱线宽度与光谱线一样，ESR谱线也有一定的宽度。如果频宽用表示，则hE/＝，相应有一个能级差E的不确定量E，根据测不准原理，hE~，为能级寿命，于是有1～（15）这就意味着粒子在上能级上的寿命的缩短将导致谱线加宽。导致粒子能级寿命缩短的基本原因是自旋－晶格相互作用和自旋－自旋相互作用。对于大部分自由基来说，起主要作用的是自旋－自旋相互作用。这种相互作用包括了未偶电子与相邻原子核自旋之间以及两个分子的未偶电子之间的相互作用。因此谱线宽度反映了粒子间相互作用的信息，是电子自旋共振谱的一个重要参数。用移相器信号作为示波器扫描信号，可以得到如图3所示的图形，测定吸收峰的半高宽B（或者称谱线宽度），如果谱线为洛伦兹型，那么有BT22（16）-5-其中旋磁比Bg＝，这样即可以计算出共振样品的横向弛豫时间2T。图3根据样品吸收谱线的半高宽计算横向弛豫时间5.微波基础知识与微波器件（1）微波及其传输由于微波的波长短，频率高，它已经成为一种电磁辐射，所以传输微波就不能用一般的金属导线。常用的微波传输器件有同轴线、波导管、带状线和微带线等，引导电磁波传播的空心金属管称为波导管。常见的波导管有矩形波导管和圆柱形波导管两种。从电磁场理论知道，在自由空间传播的电磁波是横波，简写为TEM波，理论分析表明，在波导中只能存在下列两种电磁波：TE波，即横电波，它的电场只有横向分量而磁场有纵向分量；TM波，即横磁波，它的磁场只有横向分量而电场存在纵横分量，在实际使用中，总是把波导设计成只能传输单一波形。10TE波是矩形波导中最简单和最常使用的一种波型，也称为主波型。xy-zab图4矩形波导管一般截面为ba的、均匀的、无限长的矩形波导如图4所示，管壁为理想导体，管内充以介电常数为，磁导率为的介质，则沿z方向传播的10TE波的各分量为)(0sinztiyeaxEE（17）)(0sinztixeaxEH（18）-6-)(0cosztizeaxEaiH（19）0yzxHEE（20）其中/为电磁波的角频率，g/2称为相位常数，2)/(1cg（21）g称为波导波长，ac2为截止或临界波长（对微波电子自旋共振实验系统中mma86.22，mmb16.10），fc/为电磁波在自由空间的波长。10TE波具有下列特性：a）存在一个截止波长c，只有波长c的电磁波才能在波导管中传播。b）波长为的电磁波在波导中传播时，波长变为cg。c）电场矢量垂直于波导宽壁（只有yE），沿x方向两边为0，中间最强，沿y方向是均匀的。磁场矢量在波导宽壁的平面内（只有xH、zH），10TE的含义是TE表示电场只有横向分量。1表示场沿宽边方向有一个最大值，0表示场沿窄边方向没有变化（例如mnTE，表示场沿宽边和窄边分别有m和n个最大值）。