电子顺磁共振实验报告(参考),电子顺磁共振实验报告思考题

("电子顺磁共振实验报告【实验简介】电子顺磁共振谱仪是根据电子自旋磁矩在磁场中的运动与外部高频电磁场相互作用，对电磁波共振吸收的原理而设计的。因为电子本身运动受物质微观结构的影响，所以电子自旋共振成为观察物质结构及其运动状态的一种手段。又因为电子顺磁共振谱仪具有极高的灵敏度，并且观测时对样品没有破坏作用，所以电子顺磁共振谱仪被广泛应用于物理、化学、生物和医学生命领域。【实验原理】具有未成对电子的物质置于静磁场B中，由于电子的自旋磁矩与外部磁场相互作用，导致电子的基态发生塞曼能级分裂，当在垂直于静磁场方向上所加横向电磁波的量子能量等于塞曼分裂所需要的能量，即满足共振条件ω=γ⋅B，此时未成对电子发生能级跃迁。Bloch根据经典理论力学和部分量子力学的概念推导出Bloch方程。Feynman、Vernon、Hellwarth在推导二能级原子系统与电磁场作用时，从基本的薛定谔方程出发得到与Bloch方程完全相同的结果，从而得出Bloch方程适用于一切能级跃迁的理论，这种理论被称之为FVH表象。原子核具有磁矩：μ=γ⋅L；（1）γ称为回旋比，是一个参数；L表示自旋的角动量；原子核在磁场中受到力矩：M=μ⋅B；（2）根据力学原理dLdt=M，可以得到：dμdt=γ⋅μ×B；（3）考虑到弛豫作用其分量式为：{dμxdt=γ(Byμz−Bzμy)−μxT2¿{dμydt=γ(Bzμx−Bxμz)−μyT2¿¿¿¿（4）其稳态解为：{χ'=γ⋅B1⋅T2(γ⋅BZ−ω0)1+(γ⋅BZ−ω0)2⋅T22+γ2⋅B12⋅T1⋅T2¿¿¿¿（5）如图1所示：实验中，通过示波器可以观察到共振信号，李萨如图形及色散图，又因为共振信号发生的条件为ω=γ⋅B，所以知道磁场及共振频率，就可以求出旋磁比，进而由：γ=−g⋅e2me（6）可以求出朗德g因子。【实验仪器】电子顺磁共振仪主机、磁铁、示波器、微波系统（包括微波源、隔离器、阻抗调配器、钮波导、直波导、可变短路器及检波器）、Q9连接线2根、电源线1根、支架3个、插片连接线4根。仪器装置图【实验过程】1）先把三个支架放到适当的位置，再将微波系统放到支架上，调节支架的高低，，使得微波系统水平放置，最后把装有DPPH样品（二苯基苦酸基联氨，分子式为(C6H5)2N−NC6H2(HO2)5）的试管放在微波系统的样品插孔中；2）将微波源的输出与主机后部微波源的电源接头相连，再将电子顺磁共振仪面板上的直流输出与磁铁上的一组线圈的输入相连，扫描输出与磁铁面板上的另一组线圈相连，最后将检波输出与示波器的输入端相连；3）打开电源开关，将示波器调至直流挡；将检波器的输出调至直流最大，再调节短路活塞，使直流输出最小；将示波器调至交流档，并调节直流调节电位器，使得输出信号等间距；4）用Q9连接线一端接电子顺磁共振仪主机面板上右下X−OUT端，另一端接示波器CH1通道，调节短路活塞观察李萨如图形；5）在环形器和扭波导之间加装阻抗调配器，然后调节检波器和阻抗调配器上的旋钮观察色散波形。【实验数据】（注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考）1）调节适当可以观察到共振信号波形如图2所示：图2吸收信号2）可以观察到李萨如图形如图3所示：图3李萨如图形3）可以观察到色散图如图4所示：图4色散信号4）用特斯拉计可以测定磁铁磁感应强度为：B=0.340T，又因为微波频率为f=9.37GHz=9.37×109Hz，根据ω=γ⋅B，可以计算出旋磁比：γ=2π⋅fB=2π⋅9.37×1090.340=1.73×1011，又因为γ=−g⋅e2me，所以有：g=−4π⋅me⋅fe⋅B=4π⋅9.109×10−31⋅9.37×1091.602×10−19⋅0.340=1.97所以朗德g因子值为1.97。【实验总结】1）微波段电子顺磁共振实验仪通过电子的塞曼能级之间的共振信号证实了不成对电子的磁矩存在；2）通过实验可以观察电子顺磁共振信号及色散信号；3）通过实验推导出电子的朗德g因子，并且用电子顺磁共振实验仪测量其大小。【参考资料】[1]吴思诚、王祖栓《近代物理实验Ⅰ》北京大学出版社；[2]杨福家《原子物理学》高等教育出版社；[3]王正行《近代物理学》北京大学出版社。",)