电子自旋共振.docx

PAGE\*MERGEFORMAT10

MACROBUTTONMTEditEquationSection2EquationChapter1Section1SEQMTEqn\r\h\*MERGEFORMATSEQMTSec\r1\h\*MERGEFORMATSEQMTChap\r1\h\*MERGEFORMAT
电子自旋共振
物理学院12000xxxxx

本实验利用观察电子自旋共振的微波系统,通过对二苯基-苦基肼基自由基的电子自旋共振谱线的观察,测定了其g因子,非常接近自由电子的g值,可以认为该自由基的轨道角动量被猝灭,其磁矩全部来自于电子自旋.然后对本实验过程中的噪音及装置的灵敏度进行简单的讨论,提出几种可能会降低噪音并提高灵敏度的方法.最后一些波导器件工作原理的简单讨论.通过本实验，熟悉了一些微波器件的使用方法及反射式谐振腔的工作原理,学会了测量共振场、自由基的朗德因子、旋磁比、共振线宽和弛豫时间的一种方法,加深了对电子自旋共振知识和微波系统的理解.

关键词：微波波导、自旋共振、g因子、

Ⅰ.引言
电子自旋共振（ESR）技术是研究顺次物质结构的有力工具[1],自1944年发现以来,已在物理、化学、生物学和医学等领域取得日益广泛的应用.随着研究对象的不同、样品特性的差异以及检测参数不同,所采用实验方法和仪器结构也相应有所差别.特别是七十年代以来,由于ESR理论的发展,配合电子计算机等的推广使用,ESR实验技术有了许多革命性的突破,不仅能从数量级上提高检测谱线的灵敏度和分辨率,还能从所测的弛豫参数了解顺磁体系的动态性能[1],这可以为许多动力学过程提供不少可靠的信息.这在结构化学、生物化学和固体物理等方面均有广泛应用.
但是,ESR所用的样品含有的顺磁性核是多种多样的.到目前为止,还不能像NMR那样把1H和13C的化学位移图表化而给以简化的解析.而且,ESR技术虽然是研究自由基的最直接和最有效的技术,但是这些自由基必须是相对稳定的,并且要达到一定浓度才能用ESR技术检测和研究.而生物体系中产生的自由基大部分是不稳定的,因为自由基本身的特点就是活泼和反应性强,只有少数自由基是稳定的.ESR的另外一个局限性是只能检测顺磁性物质,但是大部分生物物质都不是顺磁性的.这就限制了ESR的应用.为了克服ESR技术的这些局限性,一方面对仪器进行改进,另一方面近年来发展起来的自旋标记和自旋捕集技术在一定程度上解决了这些问题[2],为ESR技术获得了迅速的发展和广泛的应用,但仍有许多需要解决的问题.例如,在本次实验过程中并没有关注到共振信号的波形选择对g因子的影响[3],也没有选择适当的测量方法测量共振磁场以消除扫描磁场和地磁场的影响[3].
本实验的主要目的了解观测电子自旋共振波谱的微波系统,熟悉一些微波器件的使用方式及反射式谐振腔的工作特性;并利用观察电子自旋共振的微波系统,通过对二苯基-苦基肼基自由基的电子自旋共振谱线的观察,了解电子自旋共振现象及共振特征,测定其g因子旋磁比、共振线宽和弛豫时间,加深对电子自旋共振知识的理解.
最后得到g=2.005,与理论值较为符合,表明DPPH自由基的轨道角动量被猝灭,其磁矩全部来自于电子自旋.然后计算了旋磁比与弛豫时间,并对本实验过程中的噪音及装置的灵敏度进行简单的讨论,提出几种可能会降低噪音并提高灵敏度的方法[4].最后给出了一些波导器件工作原理[5]的简单讨论.

Ⅱ.实验原理及装置
实验原理
微波与谐振腔
微波通常指波长在1m～1mm之间的电磁波.这个范围内
的电磁波其波长与通常的器件尺⼨相仿,辐射效应和趋肤效应等显著,因此电阻,电容,电感等元件都不再适用,需要以波导管,波导元件,谐振腔等微波元件来代替.另外,微波的电磁振荡周期很短,电磁波在电路中的传播不能忽略,因此近似的电路分析不再适用,需要用电动力学进行分析.
一个封闭的金属导体空腔可以用来做微波谐振腔,导体壁可以防止电磁辐射,使电磁场局限在导体内部.由于高频电流可以通过整个空腔壁，使高频电流密度降低,因此趋肤损耗很小.当电磁波进入封闭导体空腔时,电磁波在腔内连续反射.如果波形和频率合适，即产生驻波,也就是发生谐振现象.
电子顺磁共振
物质中的电⼦具有角动量,因⽽具有磁矩.在外加的弱磁场中,原来具有相同角动量的简并能级将发⽣Zeeman分裂.对于z⽅向上角动量为Mz的电⼦,其z⽅向的磁矩为
μz=geh4πmeMz=gμBMz=2πγhMz=1\*GB2⑴
其中μB=eh4πme称为电子的Bohr磁子，γ=ge2me称为旋磁比.g称为朗德因子,一般由电子的自旋和轨道角动量以及核角动量共同贡献.但对于DHHP（结构见图Fig.1[6]）,实验表明它的g因子非常接近自由电子的g值,可以认为它全部来自于电子