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