近代物理实验报告
顺磁共振实验
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时    间     2021年5月10日
顺磁共振实验  实验报告
【摘要】
电子顺磁共振又称电子自旋共振。由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的奉献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR〞或“ESR〞。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频围都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进展电子顺磁共振实验。
【关键词】
顺磁共振，自旋g因子，检波
【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。顺磁共振技术得到迅速开展后广泛的应用于物理、化学、生物及医学等领域。电子自旋共振方法具有在高频率的波段上能获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质部进展超低含量分析，但并不破坏样品的构造，对化学反响无干扰等优点，对研究材料的各种反响过程中的构造和演变，以及材料的性能具有重要的意义。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。
【正文】
一、实验原理
〔1〕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：，负号表示方向同相反。在量子力学中，因而，其中称为玻尔磁子。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：。
特斯拉实验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：，其中g是朗德因子：。
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，总磁矩可表示成。同时原子角动量Pj和原子总磁矩取向是量子化的。在外磁场方向上的投影为：。其中m称为磁量子数，相应磁矩在外磁场方向上的投影为： 。
〔2〕电子顺磁共振
原子磁矩与外磁场B相互作用可表示为：。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，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，即，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奉献。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，假设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。
〔3〕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：
式中k是波耳兹曼常数，k=1.3803×10-16〔尔格/度〕，T是绝对温度。计算说明，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。
二、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。
〔1〕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。