中国石油大学（华东）：《近代物理实验》课程教学资源（讲义）电子自旋共振（PPT）

中因石油大学 (华东】 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM 近代物理实验 电子自旋共振 (ESR)

电子自旋共振 （ESR） 近代物理实验

背景知识 电子自旋共振(ESR,Electron Spin Resonance)是磁共 振波谱学的一个分支，电子自旋共振研究的对象是具有不 成对电子的原子、分子或固体。 电子自旋共振技术在物理、化学、生物、医药等各个领域 获得了广泛的应用。 电子自旋共振的实现，在很多方面与核磁共振相似。与核 磁共振相比，电子自旋共振在技术上更容易实现，在利用 微波法、射频法都有比较成熟的仪器

背景知识 ◼ 电子自旋共振（ESR，Electron Spin Resonance）是磁共 振波谱学的一个分支，电子自旋共振研究的对象是具有不 成对电子的原子、分子或固体。 ◼ 电子自旋共振技术在物理、化学、生物、医药等各个领域 获得了广泛的应用。 ◼ 电子自旋共振的实现，在很多方面与核磁共振相似。与核 磁共振相比，电子自旋共振在技术上更容易实现，在利用 微波法、射频法都有比较成熟的仪器

实验原理-原子的自旋磁矩 原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋，其自旋 角动量为 Ps =S(S+1)h 。其中，S是自旋量子数，S=1/2 ·电子的自旋角动量Ps和自旋磁矩山间的关系为： s=-82m Ps 4,=84BVS(S+1) 。其中，me为电子质量；B= 称为波尔磁子。 eh

实验原理-原子的自旋磁矩 ◼ pS = S(S +1) ( ) 2 1 e S B e g m  g S S  = −    = +  μS S p

实验原理-原子的自旋磁矩 g为电子的朗德因子，具体表示为： g=1+J+)-LL+1)+SS+1) 2J(J+1) 。丁和L为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数， J=L±S. ·对于单电子原子，原子的角动量和磁矩由单个电子决定； 对于多电子原子，原子的角动量和磁矩由价电子决定。 。含有单电子或未偶电子的原子处于基态时，L=0, J=L+S=S=1/2,此时原子的角动量和磁矩等价于单个电子的 自旋角动量和自旋磁矩

实验原理-原子的自旋磁矩 2 ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) 1 + + − + + + = + J J J J L L S S g

实验原理-电子自旋共振 。在唯象理论中，电子自旋好像一个高速自转的“陀螺”， 其磁矩在外恒磁场的作用下会发生拉莫尔进动，这种运动 受到材料内部阻尼作用的影响，幅度会逐渐减小，最后磁 矩将停留在外磁场的方向上。 ·在加外磁场的同时，在垂直于外磁场的方向加一个微波场， 当微波的频率与磁矩进动的频率一致的时候，微波能量将 被强烈吸收，这就是共振现象。从量子力学的观点看，共 振是指在某一特定外磁场作用下，微波场与磁矩间相互作 用而发生塞曼能级间的感应跃迁

实验原理-电子自旋共振 ⚫ 在唯象理论中，电子自旋好像一个高速自转的“陀螺” ， 其磁矩在外恒磁场的作用下会发生拉莫尔进动，这种运动 受到材料内部阻尼作用的影响，幅度会逐渐减小，最后磁 矩将停留在外磁场的方向上。 ⚫ 在加外磁场的同时，在垂直于外磁场的方向加一个微波场， 当微波的频率与磁矩进动的频率一致的时候，微波能量将 被强烈吸收，这就是共振现象。从量子力学的观点看，共 振是指在某一特定外磁场作用下，微波场与磁矩间相互作 用而发生塞曼能级间的感应跃迁

实验原理电子自旋共振 ·当存在外磁场时，电子的磁矩与外磁场B,的相互作用能为 E=s·B=4sB, ·其中3z为磁矩在外磁场方向上的分量， 4s:=82m e M.h=gM.Hp ·其中，M2=士号分裂的能级为： E. E6= 284B ·能级间的能量差为 △E=84BB

实验原理-电子自旋共振 E B =  = μS 0 B Sz 0 2 Sz z z B e e g M gM m   = = 0 0 1 2 1 2 a B b B E g B E g B    =    = −   = E g B  B 0

实验原理-电子自旋共振 。根据磁共振原理，如果在垂直于B0平面内施加一个角频率 等于ω0（频率为V)的交变磁场B1,当满足条件 o,h=hv=△E=gug Bo 。电子就会吸收此交变磁场的能量，实现能级间的跃迁，这 就是电子自旋共振现象。 。电子的旋磁比为 0=YB。 。实验中的交变磁场B1可以由射频线圈产生，也可以由微波 磁场提供产生，由此对应两种实验方法，即射频法电子自 旋共振和微波法电子自旋共振

实验原理-电子自旋共振 0 0 B    = =  = h E g B g m e 2 e  =   0 0 = B

实验原理-朗德g因子、线宽和弛豫 ·g因子不仅反映了原子或者离子晶体中电子自旋一轨道相互 作用的大小，也反映了塞曼能级分裂的宽度，在本质上显 示局部磁场的特征。 ·两种弛豫过程，一是电子自旋与晶格交换能量，使得处在 高能级的粒子把一部分能量传给晶格，从而返回低能级， 称为自旋一晶格弛豫，由时间T1表征。二是自旋粒子相互 之间交换能量，使它们的旋进相位趋于随机分布，称自 旋一自旋弛豫，由弛豫时间用T2表征。 ·射频法电子自旋共振实验中交变磁场B1是由射频线圈产生 的，微波法电子自旋共振实验中交变磁场是由微波提供

实验项目-电子自旋共振（射频） 【实验目的】 1.了解电子自旋共振理论。 2.掌握电子自旋共振的实验方法。 3.测定DPPH自由基中电子的g因子和共振线宽。 【实验仪器】 样品、射频线圈 稳恒磁场与扫场线圈 频率计 示波器 检波器 调制磁场 边限振荡器 稳恒磁场 射频放土 频率计 电子自旋共振仪 示波器 源 1扫描输出2电流输出3磁场换向4指示灯5电源开关日磁场调节 7扫场调节8相位调节9边限调节10频平调节11信号输出12高频输出

实验项目-电子自旋共振(射频) 【实验目的】 1. 了解电子自旋共振理论。 2. 掌握电子自旋共振的实验方法。 3. 测定DPPH自由基中电子的g因子和共振线宽。 【实验仪器】

实验项目-电子自旋共振（射频） 【共振信号】 【实验内容】 ●计算所需电流范围 ●测定DPPH样品的朗德因子 ●测量共振谱线宽度与横向弛豫时间

【共振信号】 实验项目-电子自旋共振(射频) 【实验内容】 ⚫ 计算所需电流范围 ⚫ 测定DPPH样品的朗德因子 ⚫ 测量共振谱线宽度与横向弛豫时间