实用电子磁共振波谱学

２１世纪科学版化学专著系列

实用电子磁共振波谱学———基本原理和实际应用

徐元植　编著

北　京

内　容　简　介

本书主要论述电子磁共振波谱学的基本原理和实际应用。在论述基本原理的同时着重引导读者学会如何“解谱”。除在书中穿插一些应用实例外，还专门用５章的篇幅介绍了电子磁共振在相关领域中的应用、过渡金属离子及其配合物的电子磁共振波谱、固体催化剂及其催化体系中的电子磁共振波谱、电子磁共振在医学和生物学中的应用、便携式电子磁共振谱仪及其开发应用等与应用密切相关的内容。

本书适合非物理专业出身的电子磁共振波谱领域的科研工作者阅读，也可作为高等院校相关专业的研究生教材。

　图书在版编目（CIP）数据

　实用电子磁共振波谱学：基本原理和实际应用／徐元植编著．—北京：科学出版社，２００８

　ＩＳＢＮ９７８唱７唱０３唱０２０２１１唱６

　Ⅰ畅实…　Ⅱ畅徐…　Ⅲ畅电磁场－磁共振谱法　Ⅳ畅Ｏ４４１畅４Ｏ６５７畅２　中国版本图书馆ＣＩＰ数据核字（２００７）第１６６３０１号

责任编辑：周巧龙　吴伶伶　王国华／责任校对：张　琪

责任印制：钱玉芬／封面设计：王　浩

　出版

北京东黄城根北街１６号

邮政编码：１００７１７

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倡

２００８年１月第　一　版 开本：Ｂ５（７２０×１０００）

２００８年１月第一次印刷印张：３４１／２

印数：１—２５００ 字数：６３３０００

定价：98畅00元

（如有印装质量问题，我社负责调换枙环伟枛）

21st Century SP摧s Series in Chemistry

APPLIED

ELECTRON MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY

Elementary Principle&Practical Applications

XU Yuanzhi

Science Press

Beijing

作者简介

徐元植　教授，１９３３年生于温州市。１９５１年

考入北京大学化学工程系，１９５２年因院系调整转

入清华大学石油工程系（１９５３年独立成为北京石

油学院），１９５５年毕业分配到中国科学院大连化

学物理研究所（原中国科学院石油研究所）工

作。１９６０年开始从事电子磁共振波谱学研究。

１９８０年应卢嘉锡教授之邀调至中国科学院福建物

质结构研究所工作。１９８４年调至浙江大学化学系

任副教授、教授、博士生导师。１９９３年起任浙江

大学物理化学研究所学术委员会主任。１９８７年起

任中国物理学会波谱学专业委员会委员、枟波谱

学杂志枠编委、浙江省化学会理事。１９８７年与日

本北海道大学相马纯吉教授共同发起并在杭州举

办了第一届“中日双边电子磁共振学术研讨会”，担任中方主席。１９８８年在杭州主持召开了第一届全国电子磁共振学术研讨会。１９８９年率团赴日本京都参加第二届“中日双边电子磁共振学术研讨会”。１９９０～１９９４年担任“Applied Magnetic Resonance”杂志的编委；１９９４年至今担任该杂志国际学术顾问。被选为“国际胶体及界面科学中的磁共振学术研讨会”第六、七、九届国际学术顾问委员会委员。１９９９年作为主席在杭州成功地举办了第二届“亚洲及太平洋地区电子磁共振学术研讨会”。曾多次访问欧洲、美国、日本、韩国、俄罗斯等２０多个国家以及中国香港、台湾地区的５０多所著名大学、研究机构和企业，进行电子磁共振波谱学的技术合作和学术交流。

裘祖文教授序

这是一本好书。全书包括１８章和７个附录，体现以下四个特点：

第一个特点是：理论完备，封闭自洽。它介绍了所有ＥＭＲ的理论知识，如经典力学和量子力学的描述、偶极相互作用、Ｆｅｒｍｉ接触互作用、Ｌａｎｄé因子、g 和A张量、S＝１的三重态分子和多量子跃迁以及弛豫和线宽理论等。理论是拉动科技进步的火车头。２０世纪物理学为什么会成为领先的学科？是因为出现了相对论和量子力学。它们的出现引发了科技领域的大革命。经过了一系列的精炼过程，所有现代的学科都不可避免地必须用到它，磁共振就是一例。如果不懂量子力学，就不能领悟波谱学的全部内容和真谛。一本好书的作用就在于它能在最短的时间内汲取前人的知识结晶。它起着胸有全貌、事半功倍的作用。有了它打底，就能很快阅读相关的文献（杂志和书籍）。这些文献浩如烟海，但有了一本好书就能使你从中挑选出精品，“多快好省地走捷径”。这就是所谓“师傅领进门，修行靠自身”的含义。所以好书能起着向导作用，然而无论怎么好的书，都不可避免地受到历史的局限。因此，单从某一本书获得知识总是不够的，更多的知识应该是来自博览群书。此书的每一章末都列出参考文献和进一步的读物，而且在全书的最后还有七个附录，分别介绍了数学准备、量子力学的角动量理论、量子力学的定态微扰理论等。这就构成了全书的封闭性和自洽性。读者从该书就可以得到必要的基础知识，这对非物理专业的学者更是必需的。另外，需要对理论大师的作用稍作补充：他们的作用是不可估量的，Ｄｉｒａｃ在学会Ｅｉｎｓｔｅｉｎ的“狭义相对论”后，结合量子力学创造出“相对论量子力学”。甚至他的一个符号，也成为现代文献的通用符号。１９５９年，Ｆｅｙｍａｎｎ在ＣＡＬＴＥＣ做了两个多小时的演讲，题目是“在物质底部还有很多研究空间”，并预言：一个庞大的图书馆可以小如一块方糖。从而开始了“纳米技术的研究”。这两个例子说明大师的内涵是很丰富的。他们对新的理论和实验成果是很敏感的。他们善于从实验中抽象出理论，检验它是否符合客观真实，再做出正确的判断和修改。

裘祖文先生是吉林大学教授，唐敖庆院士的得意门生，我国ＥＭＲ领域中的泰斗，也是我的良师挚友。他于１９８０年编著出版过枟电子自旋共振波谱枠一书，该书堪称国内ＥＭＲ之精品。１９８８年初应美国Ｈｏｕｓ唱ｔｏｎ大学Ｌ．Ｋｅｖａｎ教授之邀，赴美讲学。不料，脑动脉血管瘤破裂，在美国做了开颅大手术，术后右手右脚致残。２００４年５月，心脏又安装了两个支架。但思维仍然十分清晰，生活很有规律，每天用左手练习写字。该序就是他花了４个早晨用左手写成的，实在令我感动不已。

———编著者注

ii　实用电子磁共振波谱学———基本原理和实际应用

第二个特点是：紧跟前沿。“工欲善其事，必先利其器”。ＥＭＲ的发展比ＮＭＲ慢的原因之一就是它的频率在微波频段，其发射系统的技术要求比较高。现在ＥＭＲ的灵敏度和分辨率已比过去有了大幅度的提高，然而ＣＷ唱ＥＭＲ仪器本身所能提供的信息仍然很有限，于是近２０多年来又发展出多种双共振，如ＥＮＤＯＲ、ＥＬＤＯＲ、ＯＤＭＲ、ＦＤＭＲ等。ＥＭＲ和ＮＭＲ是一对姊妹花，核磁有什么，不久顺磁就会有什么。如核磁有了成像（ＮＭＩ），顺磁后来也有了成像（ＥＭＩ）；核磁有了ＣＩＤＮＰ，顺磁很快就有了ＣＩＤＥＰ；核磁有了Ｆｏｕｒｉｅｒ变换，顺磁现在也有了Ｆｏｕｒｉｅｒ变换；核磁有了脉冲的射频场Ｐｕｌｓｅ唱ＮＭＲ，现在顺磁也有了Ｐｕｌｓｅ唱ＥＭＲ。这些在本书的第１１～１４章中都作了简要的介绍。该书的第１８章还专门介绍了便携式的ＥＭＲ谱仪及其应用。这是２０世纪８０年代末发展起来的简易专用型谱仪，是ＥＭＲ走出象牙塔，走向工厂、医院、矿山、野外（地质）等具有标志性意义的一步。

第三个特点是：深入浅出，明白易懂。徐元植教授从青年时代起，几十年来就一直努力从事ＥＭＲ的科研和教学工作。他本着认真严谨的治学态度和孜孜不倦的钻研精神，把ＥＭＲ的基本理论与他丰富的教学和科研实践经验结合起来，融会贯通。在此基础上编著而成的专著，肯定是ＥＭＲ专著中的精品。该书必将成为后学者必读的主要课本和参考书，甚至还会走向国外（已有多位国际知名的ＥＭＲ专家表示愿为该书写序）。编著者在前言中就声明：“本书的读者对象主要是非物理专业出身的、以应用为主的研究生和科研工作者。”因为学习ＥＭＲ的基本原理，对于没有足够的数理底蕴、非物理学专业出身的读者来说，确实有很大困难。而该书的编著者也是非物理学专业出身的，他从对ＥＭＲ完全陌生，变成国内外知名度很高的ＥＭＲ专家，定必有其困苦的经历和成功的喜悦。他深知非物理学专业出身的读者在学习ＥＭＲ时可能遇到的困难，加上他２０多年的教学经验写成的这本书定必有很强的可读性，确实达到了“深入浅出，明白易懂”的境地。我的恩师唐敖庆院士曾教导我们：“教育十分重要，要认真备课。教学的目的，就是要使听讲者或学生每堂课都有收获，而教室并不是展示教师博学的场所。”我读过专为电子学和其他专业工程师写的“复变函数”、“运算微积分”、“Ｆｏｕｒｉｅｒ级数”的书。在美国，我还见到过用问答方式写的“物理化学”。这些书都很浅近易懂，又很严谨全面。它们便于自学，因而受到读者们的极大欢迎。该书便是这样的一本好书。

第四个特点是：突出应用。应用是理论与实践相结合的具体表现。ＥＭＲ比ＮＭＲ发展慢的另一个重要原因就是：ＥＭＲ的实际应用在广度和深度上都不如ＮＭＲ。该书除了在第１５章对“固体催化剂及其催化体系中的电子磁共振波谱”、在第１６章对“电子磁共振在医学和生物学中的应用”等做了专题介绍之外，还在第１７章对“电子磁共振在相关领域中的应用”做了全面综合的简单介绍。最

裘祖文教授序　iii

后，第１８章对“便携式专用型ＥＭＲ谱仪的开发与应用”做了介绍。目的就在于唤起所有有可能应用ＥＭＲ的相关领域的专家学者，共同促进ＥＭＲ在相关领域中的应用并向纵深发展。而这些相关领域的专家学者多半对ＥＭＲ的理论和技术颇感陌生，应用起来总是感到不能得心应手。该书就为他们提供了极好的帮助。只有熟练掌握ＥＭＲ的基本原理和谱仪技术，再与自己所从事的专业知识结合起来，才能在应用领域中有所突破。一旦在某个领域中的应用取得突破，就会产生巨大的经济效益和（或）社会效益。

从以上四个特点，就不难掂量出这本书的份量。它的出版是编著者对我国ＥＭＲ领域的重要贡献。相信它必将推动ＥＭＲ的研究，特别是应用研究的蓬勃发展。

裘祖文

２００５年１２月于吉林大学

微波段电子自旋共振实验报告

微波段电子自旋共振实验 电子自旋共振（ESR ）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。又因为电子自旋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，所以电子自旋共振谱仪被广泛应用于物理、化学、生物和医学生命领域。 一. 实验目的 1. 本实验的目的是在了解电子自旋共振原理的基础上，学习用微波频段检测电子自旋共振信号的方法。 2. 通过有机自由基DPPH 的g 值和EPR 谱线共振线宽并测出DPPH 的共振频率，算出共振磁场，与特斯拉计测量的磁场对比。 3. 了解、掌握微波仪器和器件的应用。 4. 学习利用锁相放大器进行小信号测量的方法。 二. 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B ?=γω，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： L ?=γμ； （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： B M ?=μ； （2）

电子自旋共振实验报告

微波电子自旋共振 【摘要】本文通过电子自旋共振实验，解释恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场 的作用下会发生磁能级间的共振跃迁现象。 一、引言 电子自旋的概念首先由Pauli于1924年提出。而电子自旋共振实验则是从1945年开始才发展起来的一项新技术。 电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子、内电子壳层未被充满的离子、受辐射作用产生的自由基及半导体、金属等。通过共振谱线的研究，可以获得有关分子、原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关物质结构和化学键的信息，故电子自旋共振是一种重要的近代物理实验技术，在物理、化学、生物、医学等领域有广泛用途。 “自旋”概念的明确提出：1925年，两位年轻的荷兰学生乌伦贝克和哥德斯密特，“为了解释反常塞曼效应”，受泡利不相容原理的启发，明确提出了电子具有自旋的概念，并证明了“自旋”就是泡利提出的“新自由度”。1926年，海森伯和约旦引进自旋S，用量子力学理论对反常塞曼效应作出了正确的计算。1927年，泡利引入了泡利矩阵作为自旋操作符号的基础，引发了保罗-狄拉克发现描述相对论电子的狄拉克方程式。 电子自旋共振(ESR，Electron Spin Resonance)是一种奇妙的实验现象，也被称为电子顺磁共振(EPR，Electron Paramagnetic Resonance)。它利用具有未偶电子的物质在外加恒定磁场作用下对电磁波的共振吸收特性，来探测物质中的未偶电子，研究其与周围环境的相互作用，从而获得有关物质微观结构的信息。电子自旋共振现象直到1944年才由苏联喀山大学的扎沃伊斯基(E.K.Зabouchuǔ)在实验中观察到。 二、实验原理 1、量子力学解释 μ的关系为： 电子具有自旋，其自旋角动量Pe和自旋磁矩e 图1 自旋能级在磁场中的取向 g为朗德因子，Bμ为玻耳磁子，其值为5.7883785×1O-11MevT-1。若电子处于外磁场 μ在空间的取向是量子化的，Pe在Z方向的B（沿Z方向）中，据量子力学可知Pe和e

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；； 2. 了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用； 3.测定DMPO-OH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(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,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(Zavoisky)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 cosθ 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。

顺磁共振实验报告

近代物理实验报告 顺磁共振实验 学院 班级 姓名 学号 时间 2014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贡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。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。 【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发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，能深入物质内部进行超低含量分析，但并不破坏样品的结构，对化学反应无干扰等优点，对研究材料的各种反应过程中的结构和演变，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： 2l l e e P m μ=- ，负号表示方向同l P 相反。在量子力学中(1)l P l l =+，因而 (1)(1)2l B e e l l l l m μμ=+=+，其中2B e e m μ=称为玻尔磁子。电子除了轨道运动外

电子顺磁共振谱仪

电子顺磁共振谱仪 童伟 (2009-09-06) 强磁场科学中心EPR 性能 仪器型号：EMX-10/12 plus 制造厂商：德国Bruker 公司 主要技术指标： 磁场强度：磁极距72mm 时，最大1.45T 扫场分辨率：128000点 微波频率：X-波段 9.2-9.8GHz 灵 敏 度：1.5×109自旋数/G 液氮变温：100K －700K 液氦变温：1.8K －300K 电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance , EPR)又叫电子自旋共振(electron spin resonance , ESR)，于1945首次被Zavoisky 在固体中检测到。由于高灵敏度以及对被测对象无破坏和介入的特点，使得它成为理想的分析手段之一。事实上，现在EPR 已经被广泛应用到物理，化学，材料，生物和医学等许多领域。 1. 基本物理 电子顺磁共振是物质中彼此孤立或相互作用很小的未成对电子系统的共振现象，经典的描述方式把电子顺磁共振看成是自由电子磁矩，原子或分子磁矩绕恒定磁场的Larmor 进动。量子力学则描述为由恒定磁场下产生的Zeeman 分裂能级间的量子跃迁。 我们知道，电子具两种自旋量子态1/2s M =±，相应的自旋磁矩也有两种取向－向“上”和向“下”。这样在外加磁场下0B (磁场方向为向上)，就形成两个能级为 0012 B s B E g B M g B μμ==± (1.1) 其中g 是朗德因子，B μ是波尔磁子。1/2s M =-对应自旋磁矩平行于外场能量低， 图 1 自旋态能量随外加磁场变化示意图。

图 3 EPR 共振信号。 1/2s M =+对应自旋磁矩反平行于外场能量高。微波可以看成光量子，能量为E h ν=，当微波的能量等于两个自旋态能级差时就发生共振吸收，即 0B h g B νμ= (1.2) 因此对于自由电子自旋，产生电子顺磁共振的角频率为0/(2)B νγπ= ，旋磁比 1111/ 1.7608610e B g rad s T γμ--=-=-???。 由1.2式可以知道，有两种方式来获得共振信号。一种是固定频率，扫场；一种是固定磁场扫频率。商业的EPR 谱仪一般是前者。图一是Zeeman 分裂的能级差随外磁场变化以及共振吸收示意图。 在实际的研究对象中，未成对电子自旋的主要来源有两大类：（1）过渡金属离子或原子，它们具有未填满的d 电子或f 电子壳层，这些离子（原子）称为顺磁离子（原子）。（2）金属或半导体中的导电电子，有机物的自由基，晶体缺陷（如位错）和辐照损伤（如色心）的外层电子或共有化电子。这些电子不再是自由电子，所要满足的共振条件仍是1.2式，不过g 因子不再是自由电子的值，磁场项将包括样品内的等效内场项。这些变化正是需要分析研究的内容。简单来说，研究掺杂顺磁离子的晶体的顺磁共振波谱，可以获得顺磁离子的基态能谱，顺磁离子所在晶位的点对称性，顺磁离子的驰豫以及基质晶体的相变等信息。研究半导体中的施主和受主杂志，顺磁离子掺杂，辐照损伤和晶体缺陷引起的电子顺磁共振可以得到有关半导体能带结构和导电机制的资料。在化学中，自由基或三重态分子具有短寿命，化学活性高，不稳定等特点，电子顺磁共振不仅可以检测它们的存在，测定它们的浓度或含量，确定未成对电子云密度在自由基分子中的分布情况等，并且在研究过程中不改变或不破坏自由基本身。从顺磁共振的超精细分裂还可以获得原子核处或其附件的电子自旋密度及顺磁离子配位络合物的共价键信息。 2. 仪器结构和信号 图2是电子顺磁共振系统的基本结构。其中微波源可以是固态的或电子调速管。商业的 仪器如Bruker 的EPR 系统通常将微波源，隔 离器，衰减器，探测器以及锁相放大器这些信 号产生和测量部件集成一个盒子里称为微波 图 2 电子顺磁共振谱仪基本组成的图示。

磁共振实验报告

近代物理实验题目磁共振技术 学院数理与信息工程学院 班级物理082班 学号08220204 姓名 同组实验者 指导教师

光磁共振实验报告 【摘要】本次实验在了解如光抽运原理，弛豫过程、塞曼分裂等基本知识点的基础上，合理进行操作，从而观察到光抽运信号，并顺利测量g因子。 【关键词】光磁共振光抽运效应塞曼能级分裂超精细结构 【引言】光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。光磁共振方法现已发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。 【正文】 一、基本知识 1、铷原子基态和最低激发态能级结构及塞曼分裂 本实验的研究对象为铷原子，天然铷有两种同位素；85Rb（占72．15%）和87Rb（占27．85%）．选用天然铷作样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号．铷原子基态和最低激发态的能级结构如图1所示．在磁场中，铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂．标定这些分裂能级的磁量子数m F=F，F－1，…，－F，因而一个超精细能级分裂为2F＋1个塞曼子能级． 设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF，μF与外磁场B0相互作用的能量为 E＝－μF·B0＝g F m FμF B0（1） 这正是超精细塞曼子能级的能量．式中玻尔磁子μB＝9．2741×10－24J·T－1 ，朗德因子g F= g J [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ? 2F（F＋1）（2） 图1 其中g J= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ? 2J（J＋1）（3） 上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值．由式（1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差 ΔE＝g FμB B0（4） 式中ΔE与B0成正比关系，在弱磁场B0＝0，则塞曼子能级简并为超精细结构能级．

铁磁共振实验报告

一、实验背景 早在1935年，著名苏联物理学家兰道（Lev Davydovich Landau 1908—1968）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性．经过十几年，在超高频技术发展起来后，才观察到铁磁共振吸收现象，后来波耳得（Polder ）和侯根（Hogan ）在深入研究铁磁体的共振吸收和旋磁性的基础上，发明了铁氧体的微波线性器件，使得铁磁共振技术进入了一个新的阶段．自20世纪40年代发展起来后，铁磁共振和核磁共振、电子自旋共振等一样，成为研究物质宏观性能和用以分析其微观结构的有效手段． 微波铁磁共振现象是指铁磁介质处在频率为?0的微波电磁场中，当改变外加恒定磁场H 的大小时，发生的共振吸收现象．通过铁磁共振实验，我们可以测量微波铁氧体的共振线宽、张量磁化率、饱和磁化强度、居里点等重要参数．该项技术在微波铁氧体器件的制造、设计等方面有着重要的应用价值． 二、实验目的 1．了解微波谐振腔的工作原理，学习微波装置调整技术． 2．掌握铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象． 3．测量微波铁氧体的共振磁场B ，计算g 因子． 三、实验原理 1.磁共振 自旋不为零的粒子,如电子和质子,具有自旋磁矩．如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为: 02B h E πγ=? （1） （其中，γ为旋磁比，h 为普朗克常数，0B 为稳恒外磁场）． 又有e m e g 2=γ，故0022B g B h m e g E B e μπ =?=?．（其中，g 即为要求的朗德g 因子，其值约为2．πμe B m eh 4=为玻尔磁子， 其值为1241074.29--??T J ） 若此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为

顺磁共振实验报告

近代物理实验报告顺磁共振实验 学院 班级 姓名 学号 时间2014 年 5 月10 H

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周有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和周体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡獻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。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。 【关键词】 顺磁共振，自旋兰闵子，检波 【引言】 顺磁共振（EPR）又称为电子肖旋共振（ESR）,这是冈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发展后广泛的应用于物理、化学、生物及医学等领域。电子肖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，能深入物质内部进行超低含量分析，但并不破坏样品的结构，对化学反应无干扰等优点，对研究材料的各种反应过程中的结构和演巫，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闵子值，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)电子的肖旋轨道磁矩与肖旋磁矩 原子中的电子由于轨道运动，具有轨道磁矩，其数值为：刀儿，负 号表示方向同E相反。在量子力学中E=』(/+1)方,因而均=屮Q+1)-^― = Jo + “B = 4r~ -九，其中2叫称为玻尔磁子。电子除了轨道运动外 “、= y]s(S+\) —还具有自旋运动，因此还具有肖旋磁矩，其数值表示为：m 叫。 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 少 _ & 丄号&=] + 旳+Ta+i)+s(w) 的总磁矩：2他,其中弐是朗德闵子：2山+ 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e 就是巧绕着磁场方向作旋进，引入回磁比2叫，总磁矩可表示成H严泻。同 时原子角动量巧和原子总磁矩"丿取向是量子化的。勺在外磁场方向上的投影为： Pj =斤谄,m = jJ-\J-2,...-j o其中m称为磁量子数，相应磁矩在外磁场方向 上的投影为：“丿=ymh=-mg“B ; m = j,j-Xj-2、??.一j。 (2)电子顺磁共振

电子顺磁共振 实验报告范本(完整版)

报告编号：YT-FS-7477-82 电子顺磁共振实验报告 范本(完整版) After Completing The T ask According To The Original Plan, A Report Will Be Formed T o Reflect The Basic Situation Encountered, Reveal The Existing Problems And Put Forward Future Ideas. 互惠互利共同繁荣 Mutual Benefit And Common Prosperity

电子顺磁共振实验报告范本(完整 版) 备注：该报告书文本主要按照原定计划完成任务后形成报告，并反映遇到的基本情况、实际取得的成功和过程中取得的经验教训、揭露存在的问题以及提出今后设想。文档可根据实际情况进行修改和使用。 一、实验目的 1. 学习电子顺磁共振的基本原理和实验方法；； 2. 了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用； 3. 测定DMPO-OH 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(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,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(Zavoisky)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

关于微波电子顺磁共振实验报告

关于微波电子顺磁共振实验报告 篇一：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；； 2. 了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用； 3. 测定DMPO-OH 的EPR 信号。 二、实验原理 1.电子顺磁共振 电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,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(Zavoisky)首次从CuCl2 、MnCl2等顺磁性盐类发现。电子自旋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，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 cosθ 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

电子自旋共振 实验报告

电子自旋共振 【实验原理】 1. 电子的轨道磁矩和自旋磁矩 电子的轨道磁矩为 2l l e e P m μ=- l P 为电子轨道运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。轨道角动量和轨道磁矩分别为 l l P μ== 电子的自旋磁矩 s s e e P m μ=- s P 为电子自旋运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。自旋角动量和自旋磁矩分别为 s s P μ== 由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍。 对于单电子的原子，总磁矩 j μ与总角动量 j P 之间有 j j e e g P m μ=-

其中()()() () 111121j j l l s s g j j +-+++=++。对单纯轨道运动g 为1，对于单纯自旋运 动g 为2。 引入旋磁比γ，即有 j j e P e g m μγγ==- 在外磁场中 j P 和 j μ都是量子化的，因此 j P 在外磁场方向上投影为 ()(),1,,1,2π = =----z mh P m j j j j 相应的磁矩 j μ在外磁场方向上的投影为 ()(),1,,1,2γμπ = =----z mh m j j j j 由以上公式可得 4z B e mgeh mg m μμπ=- =- 4B e eh m μπ= 为玻尔磁子 2. 电子自旋共振（电子顺磁共振） 由于原子总磁矩 j μ的空间取向是量子化的，因此原子处在外磁场B 中时，磁矩 与外磁场的相互作用也是量子化的，为 2j B mhB E B mg B γμμπ=-=- =- 相邻磁能级之间的能量差为 2hB E γπ?= 当向能量差为 20hB E γπ?= 的原子发射能量为20 hB h γνπ= 光子时，原子将这个光子 跃迁到高磁能级，这是发生在原子中的共振吸收跃迁现象，磁能级分裂是由电子

电子自旋共振实验报告

电子自旋共振实验报告

电子自旋共振实验报告 一、实验目的 1．了解自旋共振的基本原理和实验方法 2．观察和研究电子自旋共振现象，测量二苯基—苦基肼基中电子的朗德因子g 因子 二、实验内容 1．观测电子自旋共振的共振波形，测量共振情况下的磁场0B ，并根据磁场计算g 因子 2．改变微波的频率，测量不同频率下的磁场0B ，并计算不同频率下的g 因子 三、实验原理 1．电子的轨道磁矩 电子的轨道磁矩为 2l l e e P m μ=- l P 为电子轨道运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。轨道角 动量和轨道磁矩分别为 l l P μ== 2．电子的自旋磁矩 s s e e P m μ=-

s P 为电子自旋运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。自旋角 动量和自旋磁矩分别为 s s P μ== 由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍 3．电子的总磁矩 对于单电子的原子，总磁矩j μ 与总角动量j P 之间有 j j e e g P m μ=- 其中()()() () 111121j j l l s s g j j +-+++=+ +。对单纯轨道运动g 为1，对于 单纯自旋运动g 为2。 引入旋磁比γ，即有 j j e P e g m μγγ==- 在外磁场中j P 和j μ 都是量子化的，因此j P 在外磁场方向上投影为 ()()2,1,,1,z mh P m j j j j π= =---- 相应的磁矩j μ 在外磁场方向上的投影为 ()() 2,1,,1,z mh m j j j j γμπ = =----

近代物理实验报告预习

顺磁共振与核磁共振实验预习报告 摘要： 核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。电子顺磁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。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。本实验中，学生将会了解核磁共振的基本原理；学习到利用核磁共振校准磁场和测量g因子的方法；在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。 关键字： 核磁共振顺磁共振电子自旋自旋g因子 引言： 由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。对自由基而言，轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分(99％以上)的贡献来自电子自旋，所以电子顺磁共振亦称“电子自旋共振”(ESR)。 EPR现象首先是由苏联物理学家Е.К.扎沃伊斯基于1944年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。物理学家最初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极矩及分子结构等问题。以后化学家根据 EPR测量结果，阐明了复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布以及与反应机理有关的许多问题。美国的B.康芒纳等人于1954年首次将EPR 技术引入生物学的领域之中,他们在一些植物与动物材料中观察到有自由基存在。60年代以来，由于仪器不断改进和技术不断创新,EPR技术至今已在物理学、半导体、有机化学、络合物化学、辐射化学、化工、海洋化学、催化剂、生物学、生物化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛的应用。 核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，灵敏度较低，1966年发展起来的脉冲傅里叶变换核磁共振技术，将信号采集由频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度，由此脉冲核磁共振得到迅速发展，成为物理、化学、生物、医学等领域中分析、鉴定和微观结构研究不可缺少的工具。 正文： 电子顺磁共振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贡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。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。 核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。它是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，也是精确测量磁场和稳定磁场的重要方法之一。 1

微波顺磁共振实验

微波顺磁共振实验 电科10-1 邓淇予 201020906058 摘要：顺磁共振，称电子自旋共振，指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩，在射频或微波电磁场作用下磁能级之间的共振跃迁现象。电子自旋共振方法在高频率波段上能获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行超低含量分析而不破坏样品结构，且对化学反应无干扰。 关键词：微波信号发生器，隔离器，矩形样品谐振腔 1、引言 顺磁共振（EPR）又称为电子自旋共振，首先由苏联物理学家E．K．扎沃伊斯基于1944年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。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。 2、材料和方法 （1）实验仪器：磁共振实验仪，隔离器，顺磁电磁铁，三厘米固态信号发生器 （2）实验原理：

由原子物理可知，自旋量子数的自由电子其自旋角动量 ,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，当它 在磁场中由于受磁感应强度的作用,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，两相邻子能级间的能级差为 (1) 式中焦耳/持斯拉,称为玻尔磁子，g为电子的朗 德因子,是一个无量纲的量,其数值与粒子的种类有关，如的自由电子g=2.0023。两个子能级之间的分裂将随着磁感应强度 B的增加而线性地增加。自由电子在直流静磁场中,不仅作自 旋运动,而且将绕磁感应强度进动,其进动频率为,如果在直 流磁场区迭加一个垂直于频率为的微波磁场,当微波能量子的能量等于两个子能级间的能量差时,则处在低能级上的 电子有少量将从微波磁场吸收能量而跃进到高能级上去。因而吸收能量为 即发生EPR现象,式（2）称为EPR条件。式（2）也可写成 （3）

核磁与顺磁共振不同点

核磁共振与顺磁共振实验的不同点 应物12-2班摘要：在本实验中 ，我们了解到了核磁共振和顺磁共振的基本原理；学习了利用核磁共振校准磁场和测量朗德g因子的方法，以及在微波和射频范围内观察电子顺磁现象，在本实验中使用微波进行电子顺磁共振实验。 核磁共振（NMR）是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。顺磁共振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。 关键字：核磁共振 顺磁共振 电子自旋 朗德g因子 引言： 核磁共振（NMR）是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，灵敏度较低，1966年发展起来的脉冲傅里叶变换核磁共振技术，将信号采集由频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度，由此脉冲核磁共振得到迅速发展，成为物理、化学、生物、医学等领域中分析、鉴定和微观结构研究不可缺少的工具。 顺磁共振又称为电子自旋共振（ESR），EPR现象首先是由苏联物理学家 E．K．扎沃伊斯基于1944年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。物理学家最初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极矩及分子结构等问题。以后化学家根据EPR测量结果，阐明了复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布以及与反应机理有关的许多问题。60年代以来，由于仪器不断改进和技术不断创新，EPR技术至今已在物理学、半导体、有机化学、络合物化学、辐射化学、化工、海洋化学、催化剂、生物学、生物化学、医学、环境科学、地质探矿等许

多领域内得到广泛的应用。 正文： 一. 基本原理 （1） 核磁共振基本原理 由量子力学知道，质子数与种子数两者或其一为奇数的原子核才有核自旋，其磁矩与核自旋角动量成正比，可写成： 式中为磁矩，为自旋角动量，为比例因子，为波尔磁矩，为常数。 当核自旋系统处于恒定直流磁场中时，由于核自旋系统和之间的相互作用，核能级发生赛曼能级分裂。对于氢核这类的简单核系统，原能级仅分裂成上下两个能级和，上下两个能级的粒子数分别为和。热平衡时自旋粒子数随能量增加按指数规律下降，故。磁场为时，上下两能级间能量差与与成正比。 若在垂直于方向加一个频率为的射频（106-109Hz）场，当射频的量子能量hv与赛曼能级分裂正好相等，满足 时，即发生能级间的核自旋粒子由到的受激跃迁，和由到的发射跃迁。由于固定，通过调节射频频率满足公式的共振条件，此时频率称为共振频率，此种方法称为扫频法。相反频率固定，通过调节磁场满足公式的实验方法称为扫场法。两种方法等效。 （2） 顺磁共振基本原理 由原子物理知，原子中的电子由于轨道运动，具有轨道磁矩，其数值为： 负号表示方向与相反，在量子力学中，则，其中为玻尔磁子。 电子除了轨道运动外还具有自旋运动，因此其还具有自旋磁矩，其数值表示为： ，代入得到。 由原子物理知，原子磁矩与外磁场B相互作用能可表示为： ， 不同的磁量子数所对应的状态表示不同的磁能级，相邻磁能级间的

电子自旋实验报告

【摘要】 电子自旋的概念首先由Pauli于1924年提出，1925年S.A.Goudsmit与G.Uhlenbeek利用这个概念解释某些光谱的精细结构。近代观测核自旋共振技术，随后用它去观察电子自旋。本实验目的是观察电子自选共振现象，测量DPPH中电子的g因数。 【原理】 （一）电子的轨道磁矩与自旋磁矩 由原子物理可知，对于原子中电子的轨道运动，与它相应的轨道磁矩μl为 μl= —ep l/2m e 式中p l为电子轨道运动的角动量，e为电子电荷，m e为电子质量，其轨道磁矩方向与轨道角动量的方向相反，数值大小分别为 p l= (l(l+1))^0.5*h μl = (l(l+1))^0.5*eh/2m e 原子中电子除轨道运动外还存在自旋运动。根据狄拉克提出的电子的相对论性波动方程，电子自旋运动的量子数为S= 1/2，自选运动角动量p s与自旋磁矩μs μs =—ep s/m e 其数值大小分别为 p s= (s(s+1))^0.5*h μs = (s(s+1))^0.5*eh/m e 比较上式可知，自旋运动电子磁矩与角动量之间的比值是轨道运动磁矩与角动量之间比值的二倍。 原子中电子的轨道磁矩与自旋磁矩合成原子的总磁矩。对于单电子原子总磁矩μj与角动量p j之间有 μj=-gep j/2m e g = 1 + (j(j+1)-l(l+1)+s(s+1))/2j(j+1) g称为朗德g因数。对于单纯轨道运动g = 1，对于单纯自旋运动g = 2。引入回磁比γ， μj =-γp jγ =-ge/2m e 在外磁场中，μj和p j的空间去向是量子化的。p j在外磁场方向上的投影为 p z = mh m = j，j-1，……，-j 相应的磁矩μj在外磁场方向上的投影为 μz = γmh = mgμB μB称为波尔磁子，电子的磁矩通常都用玻尔磁子μB作单位来量度。 μB= 9.274009*10^-24J/T h = 6.626068*10^-34 J·S （二）电子顺磁共振 既然总磁矩uj的空间取向是量子化的，磁矩与外磁场B的相互作用也是不连续的，其能量为 E=-u j*B=mgu B B 不同量子数m所对应的状态上的电子具有不同的能量。各磁能级是等距分裂的，两磁能级之间的能量差为 E=γ?B 当垂直于磁场B的平面上同时存在一个交变的电磁场Bi，且其角频率ω满足△E=?ω即 ω=γ B 时，电子在相邻的磁能级之间将发生磁偶极共振跃迁。从上面分析可知，这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的的顺磁材料当中，称为电子顺磁共振。 （三）电子顺磁共振研究的对象 对于许多原子来说，其基态J≠0，有固有磁矩，能观察到顺磁共振现象，但是当原子结合成分子和固体时，却很难找到J≠0的电子状态，这是因为具有惰性气体结构的离子晶体以及靠电子配对耦合成的共价键晶体都形成饱和的满壳层电子结构而没有固有磁矩。另外

实验报告顺磁共振实验报告范文_0306

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实验报告顺磁共振实验报告范文_0306 前言语料：温馨提醒，教育，就是实现上述社会功能的最重要的一个独立出来的过程。其目的，就是把之前无数个人有价值的观察、体验、思考中的精华，以浓缩、系统化、易于理解记忆掌握的方式，传递给当下的无数个人，让个人从中获益，丰富自己的人生体验，也支撑整个社会的运作和发展。 本文内容如下：【下载该文档后使用Word打开】 1．测定DPPH中电子的g因数； 2．测定共振线宽，确定弛豫时间T2； 3．掌握电子自旋试验仪的原理及使用。 电子自旋试验仪。 电子自旋的概念首先由Pauli于1924年提出。1925年S．A．Goudsmit与G．Uhlenbeek利用这个概念解释某些光谱的精细结构。近代观测核自旋共振技术，由Stanford大学的Bloch与Harvrd大学的Pound同时于1946年独立设计制作，遂后用它去观察电子自旋。本实验的目的是观察电子自旋共振现象，测量DPPH 中电子的g因数及共振线宽。 由原子物理可知，对于原子中电子的轨道运动，与它相应的轨道磁矩l为 lepl2me（2－1）

式中pl为电子轨道运动的角动量，e为电子电荷，me为电子质量，负号表示由于 电子带负电，其轨道磁矩方向与轨道角动量的方向相反，其数值大小分别为 pl，hl 原子中电子除轨道运动外还存在自旋运动。根据狄拉克提出的电子的相对论性波动方程――狄拉克方程，电子自旋运动的量子数S＝l／2，自旋运动角动量pS与自旋磁矩S之epsmes其数值大小分别为（2－2）psh，s 比较式（2－2）和（2―1）可知，自旋运动电子磁矩与角动量之间的比值是轨道运动磁矩与角动量之间的比值的二倍。 原子中电子的轨道磁矩与自旋磁矩合成原子的总磁矩。对于单电子的原子，总磁矩J与角动量PJ之间有 jgepj2me（2－3） 其中 g1j(j1)l(l1)s(s1) 2j(j1)（2－4） g称为朗德g因数。由式（2－4）可知，对于单纯轨道运动g因数等于1；对于单纯自旋运动g因数等于2。引入回磁比，即 jpj（2－5） 其中 ge 2me（2－6）

顺磁共振与核磁共振

顺磁共振与核磁共振实验报告 【摘要】 核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。电子顺磁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。铁磁共振具有磁共振的一般特性，而且效应显著，它和核磁共振，顺磁共振一样也是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段。它能测量微波铁氧体的许多重要参数，对于微波铁氧体器件的制造、设计，生产有重要作用。铁磁物质在一定的外加恒定磁场和一定频率的微波磁场中当满足共振条件时产生强烈吸收共振的现象。本实验目的是学习用传输式谐振腔法研究铁磁共振现象并测量铁磁物质的共振线宽和g因子。 【关键词】 核磁共振顺磁共振电子自旋自旋g因子 【引言】 核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，灵敏度较低，1966年发展起来的脉冲傅里叶变换核磁共振技术，将信号采集由频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度，由此脉冲核磁共振得到迅速发展，成为物理、化学、生物、医学等领域中分析、鉴定和微观结构研究不可缺少的工具。 顺磁共振（EPR）又称为电子自旋共振（ESR），EPR现象首先是由苏联物理学家 E．K．扎沃伊斯基于1944年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。物理学家最初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极矩及分子结构等问题。以后化学家根据EPR测量结果，阐明了复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布以及与反应机理有关的许多问题。60年代以来，由于仪器不断改进和技术不断创新，EPR技术至今已在物理学、半导体、有机化学、络合物化学、辐射化学、化工、海洋化学、催化剂、生物学、生物化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛的应用。 【正文】 核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。它是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，也是精确测量磁场和稳定磁场的重要方法之一。 电子顺磁共振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贡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。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。 一、发展过程 核磁共振的物理基础是原子核的自旋。泡利在1924年提出核自旋的假设，1930年在实验上得到证实。1932年人们发现中子，从此对原子核自旋有了新的认识：原子核的自旋是质子和中子自旋之和，只有质子数和中子数两者或者其中之一为奇数时，原子核具有自旋角动量和磁矩。这类原子核称为磁性核，只有磁性核才能产生核磁共振。磁性核是核磁共振技术的研究对象。1945年12月，美国哈佛大学帕塞尔等人，报道了他们在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号；1946年1月，美国斯坦福大学布洛赫等人，也报道了他们在水样品中观察到质子的核感应信号。两个研究小组用了稍微不同的方法，几乎同时在凝聚物质中发现了核磁共振。因此，1945年发现核磁共振现象的美国科学家珀塞耳（Purcell）和布