微波电子顺磁共振实验报告

微波电子顺磁共振实验 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 微波电子顺磁共振实验报告 微波电子顺磁共振实验报告 篇一: 电子顺磁共振 实验报告 电子顺磁共振实验报告 一、实验目的 1. 学习电子顺磁共振的基本原理和实验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ;; 2. 了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用; 3. 测定DMP-H 的EPR 信号。 二、实验原理 1.电子顺磁共振(电子自旋共振) 电子自旋共振(Electrn Spin Resnance, ESR)或电子顺磁共振(Electrn Paramagnanetic Resnance,EPR)，是指在稳恒磁场作用下，含有未成对电子的原子、离子或分子的顺磁性物质,对微波发生的共振吸收。1944年，苏联物理学家扎沃伊斯基(Zavisky)首次从CuCl2 、MnCl2等顺磁性盐类发现。电子自旋共振(顺磁共振)研究主要对象是化学自由基、过渡金属离子和稀土离子及其化合物、固体中的杂质缺陷等，通过对这类顺磁物质电子自旋共振波谱的观测(测量因子、线宽、弛豫时间、超精细结构参数等)，可了解这些物质中未成对电子状态及所处环境的信息，因而它是探索物质微观结构和运动状态的重要工具。由于这种方法不改变或破坏被研究对象本身的性质，因而对寿命短、化学活性高又很不稳定的自由基或三重态分子显得特别有用。近年来，一种新的高时间分辨ESR技术，被用来研究激光光解所产生的瞬态顺磁物质(光解自由基)的电子自旋极化机制，以获得分子激发态和自由基反应动力学信息，成为光物理与光化学研究中了解光与分子相互作的一种重要手段。电子自旋共振技术的这种独特作用，已经在物理学、化学、生物学、医学、考古等领域得到了广泛的应用。 2.EPR基本原理 EPR 是把电子的自旋磁矩作为探针，从电子自旋 磁矩与物质中其它部分的相互作用导致EPR 谱的变化来研究物质结构的，所以只有具有电子自旋未完全配对，电子壳层只被部分填充(即分子轨道中有单个排列的电子或几个平行排列的电子)的物质‎‎，才适合作EPR 的研究。不成对电子有自旋运动，自旋运动产生自旋磁矩, 外加磁场后，自旋磁矩将平行或反平行磁场方向排列。经典电磁学可知，将磁矩为μ的小磁体放在外磁场H 中，它们的相互作用能为: E,-μ? H = -μH csθ 这里θ为μ与H 之间的夹角,当θ= 0 时，E = -μH, 能量最低，体系最稳定。θ=π时，E=μH，能量最高。如果体系从低能量状态改变到高能量状态，需要外界提供能量;反之，如果体系由高能量状态改变为低能量状态，体系则向外释放能量。 根据量子力学，电子的自旋运动和相应的磁矩为: μs=,gβS 其中S 是自旋算符，它在磁场方向的投影记为MS, MS 称为磁量子数，对自由电子的MS 只可能取两个值，MS=?1/2, 因此，自由电子在磁场中有两个不同的能量状态，相应的能量是: E?=?(1/2)geβH 记为: Eα= +(1/2)geβH Eβ= -(1/2)geβH 式中Eα代表自旋磁矩反平行外磁场方向排列，能量最高;Eβ代表平行外磁场方向排列，能‎‎量最低。但当H=0 时，Eα=Eβ, 相应的Ms=?1/2 的两种自旋状态 具有相同的能量。当H?0 时，能级分裂为二，这种分裂称为Zemman 分裂。它们的能级差为: ?Ee=geβH 若在垂直稳恒磁场方向加一频率为υ的电磁辐射场，且满足条件: hυ = gβH 式中，h—为Planck 常数，β—为Bhr 磁子，g —朗德因子; 则处在低能态的电子将吸收电磁辐射能量而跃入高能量 状态，即发生受激跃迁，这就是EPR 现象。因而，hυ = gβH 称为实现EPR 所应满足的共振条件。 3(,因子 自由电子g=ge= 2.002，实际情况下g=h?/?B(H0+H’)，g反映分子内部结构(因附‎‎加磁场H’与自旋、轨道及相互作用有关)，自由基g值偏离很少超过?0.5%，非有机自由基，g值可以在很大范围内变化，过渡金属离子，因轨道角动量对磁矩有贡献，g偏离ge。 4.主要特征 由于通常采用高频调场以提高仪器灵敏度， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 仪上 记出的不是微波吸收曲线(由吸收系数X 对磁场强强度H作图)本身，而是它对H的一次微分曲线。后者的两个极值对应于吸收曲线上 斜率最大的两点，而它与基线的交点对应于吸收曲线的顶点。 g值从共振条件hv=gβH看来，h、β为常数，在微波频率固定后，v亦为常数，余下的g与H二者成反比关系，因此g足以表明共振磁场的位置。g值在本质上反映出一种物质分子内局部磁场的特征，这种局部磁场主要来自轨道磁矩。自旋运动与轨道运动的偶合作用越强，则g值对ge(自由电子的g值)的增值越大，因此g值能提供分子结构的信息。对于只含C、H、N和的自由基，g值非常接近ge，其增值只有千分之几。 当单电子定域在硫原子时，g值为 2.02- 2.06。多数过渡金属离子及其化合物的g值就远离ge，原因就是它们原子中轨道磁矩的贡献很大。例如在一种Fe3+络合物中，g值高达 9.7。 线宽通常用一次微分曲线上两极值之间的距离表示(以高斯为单位)，称“峰对峰宽度”，记作ΔHpp。线宽可作为对电子自旋与其环境所起磁的相互作用的一种检测，理论上的线宽应为无限小，但实际上由于多种原因它被大大的增宽了。 超精细结构如在单电子附近存在具有磁性的原子核，通过二者自旋磁矩的相互作用，使单一的共振吸收谱线分裂成许多较狭的谱线，它们被称为波谱的超精细结构。设n为磁性核的个数，I为它的核自旋量子数，原来的单峰波谱便分 裂成(2nI+1)条谱线，相对强度服从于一定规律。在化学和生物学 中最常见的磁性核为1H及14N，它们的I各为1/2及1。如有n个1H原子存在，即得(n+1)条谱线，相对强度服从于(1+x)n中的二项式分配系数。如有n个14N原子存在，即得(2n+1)条谱线，相对强度服从于(1+x+X2)n中的3项式分配系数。超精细结构对于自由基的鉴定具有重要价值。 吸收曲线下所包的面积可从一次微分曲线进行两次积分算出，与含已知数的单电子的标准样品作比较，可测出试样中单电子的含量，即自旋浓度。 5.主要检测对象 可分为两大类: ?在分子轨道中出现不配对电子(或称单电子)的物质。如自由基(含有一个单电子的分子)、双基及多基(含有两个及两个以上单电子的分子)、三重态分子(在分子轨‎‎道中亦具有两个单电子，但它们相距很近，彼此间有很强的磁的相互作用，与双基不同)等。 ?在原子轨道中出现单电子的物质，如碱金属的原子、过渡金属离子(包括铁族、钯族、铂族离子，它们依次具有未充满的3d，4d，5d壳层)、稀土金属离子(具有未充满的4f壳层)等。 三、实验内容和步骤 羟基自由基(?H)等氧自由基是主要的活性物种，然而由于?H 的活性高、寿命短，因而难以直接测定。捕获剂捕获短寿命的氧自由基生成相对稳定的、寿命较长的自由基，这些具有顺磁性的有机物种在磁场和微波的协同作用下容易被EPR 分析检测。 DMP 是一种对氧自由基捕集效率很高的自旋捕集剂，而且形成 的自旋加合物，DMP-H，有很特征的超精细分裂图谱和超精细分裂常数。 实验步骤如下: 1、取适量DMP样品于样品管中装样，将样品管一端封住; 2、在插入样品管前用纸擦拭确保其干净; 3、样品管垂直放入谐振腔，等待EPR 检测。 4、调节仪器参数，得到谱图。 四、实验结果与讨论 得到数据见附图。从图中可见，DMP-H 的EPR 波谱由四条谱线组成，强度比为1:2:2:1。 五、实验心得 电子顺磁共振(EPR)和核磁共振(NMR)的区别: a. EPR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; b. EPR的共振频率在微波波段，NMR共振频率在射频波段; c. EPR的灵敏度比NMR的灵敏度高，EPR检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M的数量级; d. EPR和NMR仪器结构上的差别，前者是恒定频率，采取扫场法，后者还可以恒定磁场，采取扫频法。 篇二: 微波顺磁共振、核磁共振实验报‎‎告 近代物理实验报告 微波顺磁共振、核磁共振实验 学 院 数理与信息工程学院 班 级 光信081 班 姓 名 吴勇军 学 号 086201X4 时 间 201X年5月12日 摘要: 电子自旋共振(Electrn Spin Resnance),缩写为ESR,又称顺磁共振(Paramagnetic Resnance)。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、Blch和Hansn等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。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。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。 1939年美国物理学家拉比用他创立的分子束共振法实现了核磁共振。1945年至1946年珀赛尔小组和布洛赫小组分别在石蜡小组分别在石蜡和水中观测到稳态核磁共振信号，从而在宏观的凝聚物质中取得成功。此后，核磁共振技术迅速发展，还渗透到生物、医学、计量等学科领域以及众多生产技术部门，成为分析测试中不可缺少的实‎‎验手段。 关键词: 电子自旋共振 共振跃迁 铁磁共振 g因子 引言: 顺磁共振(EPR)又称为电子自旋共振(ESR)，这是因为物质的顺磁性主要来自电子的自旋。电子自旋共振即为处于恒定磁场中的电子自旋在射频场或微波场作用下的磁能级间的共振跃迁现象。研究了解电子自旋共振现象，测量有机自由基DPPH的g因子值，了解和掌握微波器件在电子自由共振中的应用，从矩形谐振长度的变化，进一步理解谐振腔的驻波。 铁磁共振和顺磁共振、核磁共振一样是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段本实验采用扫场法进行微波铁磁材料的共振实验。即保持微波频率不变，连续改变外磁场，当外磁场与微波频率之间符合一定的关系时，可发生射频磁场的能量‎‎被吸收的铁磁共振现象。微波铁磁共振在磁学和固体物理学中占有重要地位。它是微波铁氧体物理学的基础。微波铁氧体在雷达技术和微波通信方面有重要的应用。 顺磁共振 1、实验原理: 一、 电子的自旋轨道磁矩与自旋磁矩 原子中的电子由于轨道运 动，具有轨道磁矩，其数值为: e 2me?l??Pl 负号表示方向同Pl相反 在量子力学中Pl? ?l?e?B 其中?B?e?2me称为玻尔磁子。 电子除了轨道运动外还具有自旋运动，因此还具有自旋磁矩， 其数值表示为: ?s??emePs?由于原子核的磁矩可以忽略不计，原子中电子的轨道 磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩: ?j??ge2mePj 其中g是朗德因子， g?1?j(j?1)?l(l?1)?s(s?1)2j(j?1) 在外磁场中原子磁矩要受到力的作用，其效果是磁矩绕磁场的方向作旋进，也就是Pj绕着磁场方向作旋进，引入回磁比???ge 2me，总磁矩可表示成?j??Pj。同时原子角动 量Pj和原子总磁矩?j取向是量子化的。Pj在外磁场方向上的投影为: Pj?m? m?j,j?1,j?2,??j 其中m称为磁量子数，相应磁矩在外磁场方向 ?j??m???mg?B m?j,j?1,j?2,??j 二、电子顺磁共振 原子磁矩与外磁场B相互作用可表示为: E???j?B??mg?BB???m?B 不同的磁量子数m所对应的状态表示不同 的磁能级，相邻磁能级间的能量差为?E???B，它是由原子受磁场作用而旋进产生的附加能量。 如果在原子所在的稳定磁场区又叠加一个与之垂直的交变磁场，且角频率?满足条件 ???g?BB即????E???B，刚好满足原子在稳定外磁场中的邻近二能级差时，二邻 近能级之间就有共振跃迁，我们称之为电子顺磁共振。 当原子结合成分子或固 体时，由于电子轨道运动的角动量常是猝灭的，即Pj近似为零， 所以分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。根据泡利原理，‎‎一个电子轨道最多只能容纳两个自旋相反的电子，若电子轨道都被电‎‎子成对地填满了，它们的自旋磁矩相互抵消，便没有固有磁矩。通常‎‎所见的化合物大多数属于这种情况，因而电子顺磁共振只能研究具有‎‎未成对电子的特殊化合物。 三、弛豫时间 实验样品是含有大量具有不成对电子自旋所组成的 系统，虽然各个粒子都具有磁矩，但是在热运动的扰动下，取向是混乱的，对外的合磁矩为零。当自旋系统处在恒定的外磁场H0中时，系统内各质点的磁矩便以不同的角度取向磁场H0的方向，并绕着外场方向进动，从而 形成一个与外磁场方向一致的宏观磁矩M。当热平衡时，分布在各能级上的粒子数服从波耳兹曼定律，即: N2 N1?exp(?E2?E1kT)?exp(??EkT) 式中k是波耳兹曼常数，k= 1.3803×10-16(尔格/度)，T是绝对温度。计算表明，低能级上 的粒子数略比高能级上的粒子数多几个。这说明要现实出宏观的共振 吸收现象所必要的条件，既由低能态向高能级跃迁的粒子数比由高能 级向低能级跃迁的粒子数要多是满足的。正是这一微弱的上下能级粒 子数之差提供了我们观测电子顺磁共振现象的可能性。 2、实验装置 微波顺磁共振实验系统由三厘米固态信号发生器，隔离器，可变衰减器，波长计，魔T，匹配负载，单螺调配器，晶体检波器，矩形样品谐振腔，耦合片，磁共振实验仪，电磁铁等组成，为使联结方便，增加了H面弯波导，波导支架等元件 三厘米固态信号发生器: 是一种使用体效应管做振荡源的信号发生器，为顺磁共振实验系统提供微波振荡信号。 隔离器: 位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不 同的吸收，经过适当调节，可使其哦对微波具有单方向传播的特性。 隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。 可变衰减器: 把一片能吸收微波能量的吸收片垂直与矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。 波长表: 电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体 失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的 传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波 导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将 减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振 时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。 匹配负载: 波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能 全部吸收入射功率。 微波源: 微波源可采用反射式速调管微波源或固态微波源。本实验采用3cm固态微波源，它具有寿命长、输出频率较稳定等优点，用其作微波源时，ESR的实验装置比采用速调管简单。因此固态微波源目前使用比 较广泛。通过调节固态微波源谐振腔中心位置的调谐螺钉，可使谐振 腔固有频率发生变化。调节二‎‎极管的工作电流或谐振腔前法兰盘中心 处的调配螺钉可改变微波输出功率。 魔 T: 魔 T是一个具有与低频电桥相类似特征的微波元器件，如图 (2)所示。它有四个臂，相当于一个E,T和一个H,T组成，故又称双T，是一种互易无损耗四端口网络，具有“双臂隔离，旁臂平分”的特性。利用四端口S矩阵可 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，只要 1、4臂同时调到匹配，则 2、3臂也自动获得匹配;反之亦然。E臂和H臂之间固有隔离，反向臂 2、3之间彼此隔离，即从任一臂输入信号都不能从相对臂输出，只能从旁臂输出。信号从H臂输入，同相等分给 2、3 臂;E臂输入则反相等分给 2、3臂。由于互易性原理，若信号从 反向臂2，3同相输入，则E臂得到它们的差信号，H臂得到它们 的和信号;反之，若 2、3臂反相输入，则E臂得到和信号，H臂 得到差信号。 当输出的微波信号经隔离器、衰减器进入魔 T的H臂，同相 等分给 2、3臂，而不能进入E臂。3臂接单螺调配器和终端负载; 2臂接可调的反射式矩形样品谐振腔，样品DPPH在腔内的位置可 调整。E臂接隔离器和晶体检波器; 2、3臂的反射信号只能等分给E、H臂，当3臂匹配时，E臂上微波功率仅取自于2臂的反射。 右图 魔T示意图 样品腔: 样品腔结构，是一个反射式终端活塞可调的矩型谐振腔。谐振腔的末端是可移动的活塞，调节活塞位置，使腔长度等于半个波导波长的整数倍(l?p?g/2)时，谐振腔 谐振。当谐振腔谐振时，电磁场沿‎‎ 谐振腔长l方向出现P个长度为?g/2的驻立半波，即TE10P模式。腔内闭合磁力线平行于波导宽壁，且同‎‎一驻立半波磁力线的方向相同、相邻驻立半波磁力线的方向相反。在相邻两驻立半波空间交界处，微波磁场强度最大，微波电场最弱。满足样品磁共振吸收强，非共振的介质损耗小的要求，所以，是放置样品最理想的位置。 在实验中应使外加恒定磁场B垂直于波导宽边，以满足ESR共振条件的要求。样品腔的宽边正中开有一条窄槽，通过机械传动装置可使样品处于谐振腔中的任何位置并可以从窄边上的刻度直接读数，调节腔长或移动样品的位置，可测出波导波长?。 3、实验步骤: 1、连接系统,将可变衰减器顺时针旋至最大, 开启系统中各仪器的 电源,预热20分钟。 2、将磁共振实验仪器的旋钮和按钮作如下设置: “磁场”逆时针调到最低,“扫场” 逆时针调到最低，按下“调平衡/Y轴”按钮(注: 必须按下)，“扫场/检波”按钮弹起，处于检波状态。(注: 切勿同时按下)。 3、将样品位置刻度尺置于90mm处,样品置于磁场正中央。 4、将单螺调配器的探针逆时针旋至“0 刻度。 5、信号源工作于等幅工作状态,调节可变衰减器使调谐电表有指示，然后调节“检波灵敏度”旋钮, 使磁共振实验仪的调谐电表指示占满度的2/3以上。 6、用波长表测定微波信号的频率,方法是: 旋转波长表的测微头，找到电表跌破点，查波长表——刻度表即 可确定振荡频率，使振荡频率在9370MHz左右，如相差较大,应调节信号源的振荡频率,使其接近9370MHz的振荡频率。测定完频率后,将波长表旋开谐振点。 7、为使样品谐振腔对微波信号谐振，调节样品谐振腔的可调终端活塞，使调谐电表指示最小，此时，样品谐振腔中的‎‎驻波分布如图7-4-5所示。 图7-4-5 样品谐振腔中的驻波分布示意图 篇三: 微波顺磁共振、核磁共振实验报告 近代物理实验报告 微波顺磁共振、核磁共振实验 学 院 数理与信息工程学院 班 级 光信081班 姓 名 陈亮 学 号 086201X4 时 间 201X年5月12日 摘要: 电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。电子自旋共振(Electrn Spin Resnance),缩写为ESR,又称顺磁共振(Paramagnetic Resnance)。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。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。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。 关键词: 电子自旋共振 共振跃迁 应用 引言: 1925年,S.A.Gudsmit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Ger1ak也以实验直接证明了电子自旋‎‎磁矩的存在。电子自旋共振(Electrn Spin Resnance),缩写为ESR,又称顺磁共振(Paramagnetic Resnance)。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、Blch和Hansn等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。 顺磁共振实验原理: 由原子物理可知，自旋量子数s? ?? h2? 12 的自由电子其自旋角动量s(s?1)? ,h= 6.62?10-34 J?s，称为普朗克常数，因为电子带电荷，所以自旋电 子还具有平行于角动量的磁矩?e，当它在磁场中由于受磁感应强度B0的作用,则电子的单个能级将分裂成2S+1(即两个)子能级, 称作塞曼能级,如图7-4-1所示，两相邻子能级间的能级差为 ?E?g?BB0 (1) 式中 ? B ? e?2me ? 9.2741?10 ?24 焦耳/持斯拉,称为玻尔磁子，g为电子的朗德因 12 子,是一个无量纲的量,其数值与粒子的种类有关，如s?的自由电子 g= 2.0023。从图7-4-1可以看出,这两个子能级之间的分裂将随着磁感应强度B0的增加而线性地增加。自由电子在直流静磁场B0中,不仅作自旋运动,而且将绕 磁感应强度B0进动,其进动频率为v,如果在直流磁场区迭加一个垂直于B0频率为v的微波磁场B1,当微波能量子的能量等于两个子能级间的能量差?E时,则处在低能级上的电子有少量将从微波磁场B1吸收能量而跃进到高能级上去。因而吸收能量为 ?E?g?BB0?hv (2) 即发生EPR现象,式 (2)称为EPR条件。 式 (2)也可写成 g?B v?B0 h (3) 将g、?B 、 h值代入 上式可得 10 v? 2.8024B0?10Hz。 此处B0的单位为T(特 斯拉)。如果微波的波 长??3cm, 即 图 7-4-1 电子自旋共振能级分裂 ??10000MHZ, 则 示意图 共振时相应的B0要求在0. 3T以上。 在静磁场中, 当处于热平衡时,这两个能级上的电子数将服从玻尔兹曼分布,即高能级上的电子数n2 与低能级上的电子数n1之比为 n2n1 ?exp(? ?EkT )?exp(? g?BB0kT ) (4) 一般g?BB0比kT小三个数量级, 即g?BB0 kT, 所以上式可展开为 n2n1 ?1? g??B0kT ?1? hvkT (5) 式中k= 1.3807x 10?23焦耳/开, 为玻尔兹曼常数,在室温下 T=300K,如微波的 ??10 10 Hz 时, 则 n2n1 ?0.9984 。可以看出, 实际上只有很小一部分电子吸收能量 而跃迁, 故电子自旋共振吸收信号是十分微弱的。 设n??n1?n2为总电子数,则容易求得热平衡时二子能级间的 电子数差值为 n??n1?n2? g?BB02kT n?? hv2KT n? (6) 由于EPR信号的强度正比于n? ,因比在 n?一定时,式(6)说明温度越低和磁场越强,或微波频率越高,对观察E P R信号越有利。 实验步骤: 1、连接系统,将可变衰减器顺时针旋至最大, 开启系统中各仪器的电源,预热20分钟。 2、将磁共振实验仪器的旋钮和按钮作如下设置: “磁场”逆时针 调到最低,“扫场” 逆时针调到最低，按下“调平衡/Y轴”按钮(注: 必须按下)，“扫场/检波”按钮弹起，处于检波状态。(注: 切勿同时按下)。 3、将样品位置刻度尺置于90mm处,样品置于磁场正中央。 4、将单螺调配器的探针逆时针旋至“0 刻度。 5、信号源工作于等幅工作状态,调节可变衰减器使调谐电表有指示，然后调节“检波灵敏度”旋钮, 使 磁共振实验仪的调谐电表指示占 满度的2/3以上。 6、用波长表测定微波信号的频率,方法是: 旋转波长表的测微头，找到电表跌破点，查波长表——刻度表即可确定振荡频率，使振荡频率在9370MHz左右，如相差较大,应调节信号源的振荡频率,使其接近 9370MHz的振荡频率。测定完频率后,将波长表旋开谐振点。 7、为使样品谐振腔对微波信号谐振，调节样品谐振腔的可调终端活塞，使调谐电表指示最小，此 时，样品谐振腔中的驻波分布如图7-4-5所示。 图7-4-5 样品谐振腔中的驻波分布示意图 8、为了提高系统的灵敏度，可减小可变衰减器的衰减量，使调谐电表显示尽可能提高。然后，调节魔T另一支臂单螺调配器探针，使调谐电表指示更小。若磁共振仪电表指示太小，可调节灵敏度，使指示增大。 9、按下“扫场”按钮。此时调谐电表指示为扫场电流的相对指示，调节“扫场”旋钮使电表指示在满度的一半左右。 10、由小到大调节恒磁场电流，当电流达到 1.7到 2.1A之间时,示波器上即可出现如图7-4-6所示的电子共振信号. 图7-4-6 1 1、若共振波形值较小,或示波器图形显示欠佳，可采用以下方法: (1) 将可变衰器反时针旋转,减小衰减量，增大微波功率。 (2) (3) (4) 正时针调节“扫场”旋钮,加大扫场电流。 提高示波器的灵敏度。 调节微波信号源震荡腔法兰盘上的调节钉，可加大微波输出功 率。 1 2、若共振波形左右不对称,调节单螺调配器的深度及左右位置,或改变样品在磁场中的位置，通过微调样品谐振腔可是共振波形成为图5(a)所示的波形。 1 3、若出现图5(b)的双峰波形,调节“调相 旋钮即可使双峰波形重合。 1 4、用高斯计测得外磁场B0，用公式 (2)计算g因子(g因子一般在 1.95到 2.05之间). 核磁共振实验原理: 自旋角动量P不等于零的原子核都具有自旋磁矩μ，核磁矩μ在静磁场B0作用下，将以一定夹角α和角频率ω0围绕B0作进动。由 (2)可知，核磁矩的绝对值为 ??g?N N I(I?1) 原子核的角动量P与磁矩μ之间关系用一个叫磁旋比 γ的物理量连系起来: ?? ? P?gr?Nh ? I(I?1)I(I?1) ? gr?Nh ? gr?Nh ? 原子核磁矩的投影为: ?Z??PZ?hm?gr?Nm ，投影的最大值即为通常所篇四: 微波顺磁共振、核磁共振实验报告 顺磁共振 1、实验原理: 一、 电子的自旋轨道磁矩与自旋磁矩 原子中的电子由于轨道运动，具有轨道磁矩，其数值为: ?l??ePl 负号表示方向同Pl相反 2me 在量子力学中lP? e??B 其中?B?e2me?l?称为玻尔磁子。 电子除了轨道运动外还具有自旋运动，因此还具有自旋磁矩， 其数值表示为: ?s??ePs?me 由于原子核的磁矩可以‎‎忽略不计，原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩: ?j??gePj 其2me 中g是朗德因子， g?1?j(j?1)?l(l?1)?s(s?1) 2j(j?1) 在外磁场中原子磁矩要受到力的作用，其效果是磁矩绕磁场的方向作旋进，也就是Pj绕着磁场方向作旋进，引入回磁比???ge 2me，总磁矩可表示成?j??Pj。同时原子角动量Pj和原子总磁矩?j取向是量子化的。Pj在外磁场方向上 的投影为: Pj?m? m?j,j?1,j?2,??j 其中m称为磁量子数，相应磁矩在外磁 场方向上的投影为: ?j??m???mg?B m?j,j?1,j?2,??j 二、电子顺磁共振 原子磁矩与外磁场B相互作用可表示为: E???j?B??mg?BB???m?B ???B，它是由原子受磁场作用而旋不同的 磁量子数m所对应的状态表示不同的磁能级，相邻磁能级间的能量差 为?E 进产生的附加能量。 如果在原子所在的稳定磁场区又叠加一个 与之垂直的交变磁场，且角频率?满足条件 ???g?BB即????E???B，刚好满足原子在稳定外磁场中的邻近二能级差时，二邻近能级之间就 有共振跃迁，我们称之为电子顺磁共振。 当原子结合成分子或固体时，由于电子轨道运动的角动量常是猝灭的，即Pj近似为零，所以 分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。根据泡利原理，一个电子轨道最多只能容纳两个自旋相反的电子，若电子轨道都被电子 成对地填满了，它们的自旋磁矩相互抵消，便没有固有磁矩。通常所 见的化合物大多数属于这种情况，因而电子顺磁共振‎‎只能研究具有未成对电子的特殊化合物。 三、弛豫时间 实验样品是含有大量具有不成对电子自旋所组成的系统，虽然各个粒子都具有磁矩，但是在热运动的扰动下，取向是混 乱的，对外的合磁矩为零。当自旋系统处在恒定的外磁场H0中时，系统内各质点的磁矩便以不同的角度取向磁场H0的方向，并绕着外场方向进动，从而形成一个与外磁场方向一致的宏观磁矩M。当热平衡时，分布在各能级上的粒子数服从波耳兹曼定律，即: N2E?E1?E?exp(?2)?exp(?)N1kTkT 式中k是波耳兹曼常数，k= 1.3803×10-16(尔格/度)，T是绝对温度。计算表明，低能级上的粒子数略比高能级上的粒子数多几个。这说明要现实出宏观的共振吸收现象所必要的条件，既由低能态向高能级跃迁的粒子数比由高能级向低能级跃迁的粒子数要多是满足的。正是这一微弱的上下能级粒子数之差提供了我们观测电子顺磁共振现象的可能性。 2、实验装置 微波顺磁共振实验系统由三厘米固态信号发生器，隔‎‎离器，可变衰减器，波长计，魔T，匹配负载，单螺调配器，晶体检‎‎波器，矩形样品谐振腔，耦合片，磁共振实验仪，电磁铁等组成，为‎‎使联结方便，增加了H面弯波导，波导支架等‎‎元件 三厘米固态信号发生器: 是一种使用体效应管做振荡源的信号发生器，为顺磁共振实验系统提供微波振荡信号。 隔离器: 位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波‎‎有着不同的吸收，经过适当调节，可使其哦对微波具有单方向传播的特性。隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。 可变衰减器: 把一片能吸收微波能量的吸收片垂直与矩形波导的宽边，纵向插 入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收可改变衰 减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。 波长表: 电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。 匹配负载: 波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。 微波源: 微波源可采用反射式速调管微波源或固态微波‎‎源。本实验采用3cm固态微波源，它具有寿命长、输出频率较稳定等优点，用其作微波源‎‎时，ESR的实验装置比采用速调管简单。因此固态微波源目前使用比较广泛。通过调节固态微波源谐振腔中心位置的调谐螺钉，可使谐振腔固有频率发生变化。调节二极管的工作电流或谐振腔前法兰盘中心处的调配螺钉可改变微波输出功率。 魔 T: 魔 T是一个具有与低频电桥相类似特征的微波元器件，如图 (2)所示。它有四个臂，相当‎‎于一个E,T和一个H,T组成，故又称双T，是一种互易无损耗四端口网络，具有“双臂隔离，旁臂平分”的特性。利用四端口S矩阵可证明，只要 1、4臂同时调到匹配，则 2、3臂也自动获得匹配;反之亦然。E臂和H臂之间固有隔离，反向臂 2、3之间彼此隔离，即从任一臂输入信号都不能从相对臂输出， 只能从旁臂输出。信号从H臂输入，同相等分给 2、3臂;E臂输入则反相等分给 2、3臂。由于互易性原 理，若信号从反向臂2，3同相输入，则E臂得到它们的差信号，H臂得到它们的和信号; 反之，若 2、3臂反相输入，则E臂得到和信号，H臂得到差信号。 当输出的微波信号经隔离器、衰减器进入魔 T的H臂，同相等分给 2、3臂，而不能 进入E臂。3臂接单螺调配器和终端负载;2臂接可调的反射式矩形样品谐振腔，样品DPPH 在腔内的位置可调整。E臂接隔离器和晶体检波器; 2、3臂的反射信号只能等分给E、H臂， 当3臂匹配时，E臂上微波功率仅取自于2臂的反射。 右图 魔T示意图 样品腔: 样品腔结构，是一个反射式终端活塞可调的矩型谐振腔。谐振腔 的末端是可移动的活塞，调节活塞位置，使腔长度等于半个波导波长 的整数倍(l?p?g/2)时，谐振腔谐振。当谐振腔谐振时，电磁场沿谐振腔长l方向出现P个长度为?g/2的驻立半波，即TE10P模式。腔 内闭合磁力线平行于波导宽壁，且同一驻立半波磁力线的方向相同、相邻驻立半波磁力线的方向相反。在相邻两驻立半波空间交界处，微波磁场强度最大，微波电场最弱。满足样品磁共振吸收强，非共振的介质损耗小的要求，所以，是放置样品最理想的位置。 在实验中应使外加恒定磁场B垂直于波导宽边，以满足ESR共振条件的要求。样品腔的宽边正中开有一条窄槽，通过机械传动装置可使样品处于谐振腔中的任何位置并可以从窄边上‎‎的刻度直接读数，调节腔长或移动样品的位置，可测出波导波长 3、实验步骤: 1、连接系统,将可变衰减器顺时针旋至最大, 开启系统中各仪器的 电源,预热20分钟。 2、将磁共振实验仪器的旋钮和按钮作如下设置: “磁场”逆时针调到最低,“扫场” 逆时针调到最低，按下“调平衡/Y轴”按钮(注: 必须按下)，“扫场/检波”按钮弹起，处于检波状态。(注: 切勿同时按下)。 3、将样品位置刻度尺置于90mm处,样品置于磁场正中央。 4、将单螺调配器的探针逆时针旋至“0(来自:.SmhaiDa. 海达范文网:微波电子顺磁共振实验报告) 刻度。 5、信号源工作于等幅工作状态,调节可变衰减器使调谐电表有指示，然后调节“检波灵敏度”旋钮, 使磁共振实验仪的调谐‎‎电表指示占满度的2/3以上。 6、用波长表测定微波信号的频率,方法是: 旋转波长表的测微头，找到电表跌破点，查波长表——刻度表即可确定振荡频率，使振荡频率在9370MHz左右，如相差较大,应调节信号源的振荡频率,使其接近9370MHz的振荡频率。测定完频率后,将波长表旋开谐振点。 7、为使样品谐振腔对微波信号谐振，调节样品谐振腔的可调终端 活塞，使调谐电表指示最小，此时，样品谐振腔中的驻波分布如图 7-4-5所示。 ?。 图7-4-5 样品谐振腔中的驻波分布示意图 8、为了提高系统的灵敏度，可减小可变衰减器的衰减量，使调谐 电表显示尽可能提高。然后，调节魔T另一支臂单螺调配器探针，使调谐电表指示更小。若磁共振仪电表指示太小，可调节灵敏度，使指示增大。 9、按下“扫场”按钮。此时调谐电表指示为扫场电流的相对指示，调节“扫场”旋钮使电表指示在满度的一半左右。 10、由小到大调节恒磁场电流，当电流达到 1.7到 2.1A之间时,示波器上即可出现如图7-4-6所示的电子共振信号. 图7-4-6 1 1、若共振波形值较小,或示波器图形显示欠佳，可采用以下方法: (1) 将可变衰器反时针旋转,减小衰减量，增大微波功率。 (2) 正时针调节“扫场”旋钮,加大扫场电流。 (3) 提高示波器的灵敏度。 (4) 调节微波信号源震荡腔法兰盘上的调节钉，可加大微波输出功率。 1 2、若共振波形左右不对称,调节单螺调配器的深度及左右位置,或改变样品在磁场中的位置，通过微调样品谐振腔可是共振波形成为图5(a)所示的波形。 1 3、若出现图5(b)的双峰波形,调节“调相 旋钮即可使双峰波形重合。 1 4、用高斯计测得外磁场B0，用公式 (2)计算g因子(g因子一般在 1.95到 2.05之间). 4、实验数据处理: 核磁共振 1、实验原理: FMR所测的对象与ESR观测对象相同，都是未偶自旋电子，隶属电子自旋磁共振。不同的是，在铁磁性物质中，存在着电子自旋之间的强耦合作用所形成的许多取向一致的微小自发磁化区(约1015个原子)--------磁畴。在外磁场的作用下，各个磁畴趋向外磁场方向，‎‎表现出很强的磁性，故所用样品很小。观测的FMR现象，反映的更多的是铁磁性物质的宏观性能，FMR现象是样品磁畴的集体体现。 阻尼转矩。 对 (1)式求解,可得到FMR条件: 是波尔磁子， 是微波磁场的圆频率，Br称为共振磁场。TD所代表的阻尼转矩是一个微观能量转化的过程，阻尼的大小反应共振系统能量转化为热运动能量的快慢程度。 由于磁导率μ与磁化率χ之间有如下关系: 所以μ也为复数，称为复数磁导率 ?B?0 实部μ‘ 为铁磁性物质在恒定磁场B0中的磁导率，它决定磁性材料中贮存的磁能 (=μ’B02);虚部μ‘’则反应脚边磁场能在磁性材料中的损耗。 铁氧体在恒磁场B0和微波磁场B1同时作用下，当微波频率固定不变时，μ’随H0的变化关系类似图1a所示的曲线(又叫频散曲线)，μ’’随B0变化的关系曲线类似图1b，称为吸收曲线。Μ’、μ’’随B0变化的实验曲线如图所示。与μ’’ max相对应的磁场为共振磁场Br，样品谐振腔的频率(或微波频率)称为共振频率利用2式可计算出旋磁比γ(或g因子)。 2、实验仪器 图1 观察核磁共振信号原理图 当发生核磁共振(NMR)时，原子核系统对射频(?f)场产生能量吸收，为了观察到磁共振现‎‎象，必须把吸收的能量转化为可以观察到的电信号。检测核磁共振现象的基本原理如图1所示。 把样品放在与静磁场垂直的射频线圈L1中，线圈L1与可调电容C3构成振荡检波器的振荡回路，振荡检波器产生射频场B1，改变电容C3可使射频场B1的频率发生变化，当其频率满足共振条件???B0/2?时，样品中的原子核系统就吸收线圈中的射频 场能量，使振荡器回路的Q值下降，导致振荡幅度下降，振荡幅度的 变化由检波器检出，并经放大送到示波器的y轴显示。为了不断满足 共振条件，必须使静磁场在一定范围内不断往返变化(称之为扫场)，‎‎ 使磁场在共振点附近周期地往返变化，不断满足共振条件，扫场信号‎‎源和扫场线圈就是对静磁场进行扫场用的，同时又把扫场信号输入到‎‎示波器的X轴(即外同步端)，使示波器的扫‎‎描与磁场扫场同步，以保证示波器上观察到稳定的共振信号。振荡器工作应在接近临界状态，通过调节“工作电流”旋钮，使振荡器处于边限振荡状态，以提高核磁共振信号的检测灵敏度，并避免信号的饱和。 扫场信号采用50赫兹交流信号，通过扫场线圈，在静磁场B0上叠加一个小的50赫不变磁场，实现扫场作用。 实验步骤: 1、 连接线路。 2、用特斯拉技测量磁场强度，单位为T。 3、计算氢核共振频率。 4、将CuS4样品放入振荡线圈，调节样品在磁场中位于最佳位置，在v附近、调节共振频率，并反复调节边限电流与20uA左右，扫场电压1V左右，直至示波器中观察到共振峰，记录下共振频率VH. 5、调整样品在磁场中的位置，重复4步骤3次以上，取平均值。 6、改变下述实验条件，观察信号变化，并做好记录。