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

在分子和固体中，电子轨道运动的角动量通常是淬灭的，即作一级近似时P j=0。这是因为收到原子外部电荷的作用，使电子轨道发生进动，L的平均值为0，所以分子和固体中的磁矩主要是顺磁矩的贡献。股电子顺磁共振又称电子顺磁共振。根据pauli原理，一个电子轨道至多只能容纳两个自旋相反的电子，所以如果所有的电子都已成对的填满了电子，他们的自旋磁矩完全抵消，这时没有固有的磁矩，我们常见的化合物都属于这个情形。电子自旋共振不能研究上述逆磁性的化合物，它只能研究具有未成对的电子的特殊化合物。

（四）电子自旋共振与核磁共振的比较

关于核磁共振实验基本规律的讨论对于电子共振自旋也适用于电子磁矩比核磁矩大三个数量级。在同样磁场强度下，电子赛曼能级之间的间距比之核赛曼能级的间距要大得多，根据玻尔兹曼分布律，上下能级间的粒子数的差额也大得多，所以电子自旋共振的信号比之核磁共振的信号要大得多。

【实验装置】

【实验步骤】

1. 连接系统，将可变衰减器顺时针旋至最大，开启系统中各仪器的电源预热20分钟。

2. 描绘输出电流与磁场强度的曲线。“磁场”调节到最低，“扫场”调节到最大，按下“检波”按钮，此时磁共振仪处于检波状态。先确定磁共振实验仪输出电流与磁场强度H的数值关系曲线：把特斯拉计的探头固定于磁铁中央，从小到大调节“磁场”旋钮，记录一组电流与斯特拉计对应数值，注意读数的单位是T，1T=10^4高斯，将该数值描绘成曲线，在进行微波顺磁共振实验时，根据电流可得到磁场强度H的数值。

3. 信号源工作于“等幅”工作状态，调节可变衰减器和检波灵敏度旋钮使菜振实验仪的调谐电表批示占满度的2/3。

4. 用波长表测微波信号的频率，要按下“扫场”，本实验系统的工作频率应是9370MHZ，先旋转波长表的测微头，找到电表的跌落点，根据“波长频率刻度对照表”找出9370MHZ 对应的波长表读数，然后慢慢耐心调节信号源的振荡频率调节秆，使其工作频率为9370MHZ。这一步一定要认真做好！为了避免波长表的吸收对实验的影响，在测完频率后要将波长表刻度旋开谐振点。

5.按下“检波”，一定要调节磁场为零。为使样品谐振腔对微波信号谐振，一定要细心调节样品谐振腔的可调终端的活塞，使调谐电表的指示为最小。为了提高系统的灵敏度，可减小可变衰减器的衰减量，使调节电表显示尽可能提高。然后调节魔T两支臂中所接样品谐腔上的活塞和单螺匹配器，使调揩电表尽可能向小的方向变化。

6.按下“扫场”，顺时针调节磁场电流，当电流达到1.7—1.9A之间时，示波器上出现电子共振信号。示波器调到x---y档，X轴的灵敏度为2—5V/DIV，Y轴的灵敏度为1—2V/DIV 之间。如果共振波形峰值较小或示波器图形欠佳，可采用说明书是第9、10页的几种方法调整。在调节过程中一定要很认真细心耐心，多次反复，才能调整出稳定清晰的波形！

7.读出共振仪的电流值，根据磁共振实验仪输出电流与磁场强度H的数值的关系的曲线，确定共振时的磁场强度，根据实验时测定的频率，代入电子自旋共振条件的公式，计算出电子g因子。

【实验数据】

【实验结果】

计算g因子

取两条分裂谱线是的磁场B，B=347.3T,又已知微波的圆频率ω=9385MHz，查阅资料，电子的荷质比1.758×10^11C/kg。

根据公式：ω=γBγ=ge/2m= 2πμB g/hB

可以求得g= hγ/μB B = 1.955

【实验分析】

不是所有的物质都能产生电子自旋共振。能够产生电子自旋共振的物质必须有未成对的电子，这样固有磁矩才不为零，才能产生电子自旋共振。

在实验过程很难精确控制磁场的大小，因此我们在一个固定的磁场上再加一个交变磁场，使发生电子自旋共振时所需的磁场能够在这个范围内。

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

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电子自旋共振 摘要：电子自旋共振是近代物理学的一个重要发现，该现象目前已经被广泛的应用。本文主要介绍基于FD-ESR-C 型微波电子自旋共振实验仪的实验原理、实验装置、实验方法、实验步骤等。 关键词：近代物理实验；微波；电子自旋共振；g 因子； 【1】引言 电子顺磁共振（电子自旋共振）是1944年由前苏联的扎伏伊斯基首先观察到的。它是指电子自旋磁矩在磁场中受到响应频率的电磁波作用时，在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。这种现象在具有未成对自旋磁矩的顺磁物质（即含有未耦电子的化合物）中能够观察到，因此，电子顺磁共振是探测物质中未耦电子以及它们与周围原子相互作用，从而获得有关物质微观结构信息的重要方法。这种方法具有有很高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行细致分析而不破坏样品结构以及对化学反应无干扰等优点。本实验要求观察电子自旋共振现象，测量DPPH 中电子的g 因子。 【2】实验原理 本实验采用含有自由基的有机物“DPPH ”，其分子式为 3226256)()NO H NC N H C ，称为“二苯基苦 酸基联氨”，其结构式如图所示：在第二个氮 原子上存在一个未成对电子——自由基，ESR 就是观测该电子的自旋共振现象。对于这种“自 由电子”没有轨道磁矩，只有自旋磁矩，因此实验中观察到的共振现象为ESR ，也就是电子自旋共振。这里需要指出这种“自由电子”也并不是完全自由的，它的 e g 值为(2.0023±0.0002)，DPPH 的ESR 信号很强，其e g 值常用作测量其值

接近

2.00的样品的一个标准信号，通过对各种顺磁物质的共振吸收谱线e g 因子的测量，可以精确测量电子能级的差异，从而获得原子结构的信息。 自由电子的自旋磁矩和外加恒定磁场 B 0相互作用将使基态能级发生分裂 , 2 个能级之间的能量差ΔE 与外加磁场 B 0 的大小成正比: 0B B μ g = E Δ （1） 式中g 的值是Lande 因子或劈裂因子。完全自由电子的 g 值是 2.00232 , 为一个无量纲的常量。he/4πe =μB 是Bohr 磁子。若在垂直于静磁场的方向加一个频率为ν的微波交变磁场 , 当微波频率ν与直流静磁场 B 0 满足关系式： g μ = E Δ =h νB0B （2） 时 , 将有少量处于低能级上的电子从微波磁场吸收能量，跃迁到高能级上去。这种现象称之为电子自旋共振或电子顺磁共振，式 ( 2 ) 称为共振条件 . 由式 ( 2 ) 得到： B /μh =g 0B (3) 可见 g 因子的测量精度决定于微波频率和共振磁场的准确测量。 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： （4） 其中S 是电子自旋量子数，S=1/2。 电子的自旋角动量P S 与自旋磁矩S μ间的关系为 （5） 其中：m e 为电子质量；g 的具体表达式为： （6）

电子自旋共振(射频) (340)

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级：应用物理学09-2班 姓名：王国强 同组者：庄显丽 教师： 电子自旋共振（射频） 一、基础知识 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 () 1+=S S p S （7-2-1） 其中S 是电子自旋量子数，2/1=S 。 电子的自旋角动量S p 与自旋磁矩S μ 间的关系为 () ???? ?+=-=12S S g p m e g B S S e S μμμ （7-2-2） 其中：e m 为电子质量；e B m e 2 = μ，称为玻尔磁子；g 为电子的朗德因子，具体表示为 ) 1(2) 1()1()1(1++++-++ =J J S S L L J J g （7-2-3） J 和L 为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数，S L J ±=。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=S=1/2，即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。 设g m e e 2= γ为电子的旋磁比，则 S S p γμ= （7-2-4） 电子自旋磁矩在外磁场B （z 轴方向）的作用下，会发生进动，进动角频率ω为 B γω= （7-2-5） 由于电子的自旋角动量S p 的空间取向是量子化的，在z 方向上只能取 m p z S = （S S S S m -+--=,1,,1, ） m 表示电子的磁量子数，由于S =1/2，所以m 可取±1/2。电子的磁矩与外磁场B 的相互作用能为 B B B E z S S γμμ2 1 ±==?= （7-2-6） 相邻塞曼能级间的能量差为

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

自旋电子学简介

自旋电子学简介 今天，我们一起去听了王博士关于《自旋电子学简介》的讲座，通过这次的讲座，我对自旋电子学有了更加深刻的认识。 在传统的微电子学中,一般是利用电子的荷电性由电场来控制电子的输运过程的,而对电子的自旋状态是不予考虑的.为了能够进一步提高信息处理速度和存储密度,就必须对电子的自旋加以利用,由此发展出一门新的学科———自旋电子学。 自旋电子学(Spintronics or spin electronics)，亦称磁电子学(Magneto—electronics)，是一门结合磁学与微电子学的交叉学科。它是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。早在19世纪末，英国科学家汤姆逊发现电子之后，人们就知道电子有一个重要特性，就是每一个电子都携带一定的电量，即基本电荷（e=1.60219x10-19库仑）。到20世纪20年代中期，量子力学诞生又告诉人们，电子除携带电荷之外还有另一个重要属性，就是自旋。电子的自旋角动量有两个数值，即±h/2。其中正负号分别表示“自旋朝上”和“自旋朝下”，h是量子物理中经常要遇到的基本物理常数，称为普朗克常数。 通过对电子电荷和电子自旋性质的研究，最近在电子学和信息技术领域出现了明显的进展。这个进展的重要标志之一就是诞生了自旋电子学。在传统的电子学中，数据处理集成电路所用的是半导体中电子的电荷，但并不是说电子的自旋自由度以前从没有用过，例如传统的数据存储介质，如磁盘，用的就是磁性材料中电子的自旋。 事实上，半导体中有很多类型的自旋极化现象，如载流子的自旋，半导体材料中引入的磁性原子的自旋和组成晶体的原子的核自旋等等。从某种意义上说，已有的技术如以巨磁电阻（GMR）为基础的存储器和自旋阀都是自旋起作用的自旋电子学最基本的应用。但是，其中自旋的作用是被动的，它们的工作由局域磁场来控制。这里所指的自旋电子学则要走出被动自旋器件的范畴，成为基于自旋动力学的主动控制的应用。因为自旋动力学的主动控制预计可以导致新的量子力学器件，如自旋晶体管、自旋过滤器和调制器、新的存储器件、量子信息处理器和量子计算。从这个意义上说，自旋电子学是在电子材料，如半导体中，主动控制载流子自旋动力学和自旋输运的一个新兴领域。已经证明，通过注入、输运和控制这些自旋态，可以执行新的功能。这就是半导体自旋电子学新领域所包含的内容，它涉及自旋态在半导体中的利用。 对于目前的自旋电子学，令人感兴趣的两个重要的物理学原理是：自旋作为一个动力学变数，它有量子力学固有的量子特性，这些特性将导致新的自旋电子学量子器件而不是传统的以电子电荷为基础的电子学。另一个是与自旋态有关的长驰豫时间或相干时间。在磁性半导体中，自旋朝上的载流子浓度往往多于自旋朝下的载流子，这些载流子运动会产生所谓自旋极化电流。自旋极化电流的大小、存在的时间长短取决于许多因素，如材料的特性、界面、外场及温度等等。事实上，半导体中的载流子自旋可以通过局域磁场，或通器件的栅极改变外加电场，甚至通过偏振光地进行操作。这一事实，是开发自旋电子学应用的一个重要的物理基础。 半导体自旋电子学器件的目的之一是利电子自旋和核自旋很长的相干时间，并基于半导体器件来执行量子信息处理。用半导体实现量子计算机有很多优点，不仅仅因为它是固体材料，可适合于大规模集成，而且通过量子约束可以自由控制其维度，并允许用外场，如光、电或磁场改变其特性。本节将简介利用半导体中的自旋如何构造固体量子计算机的基本原理。 半导体自旋电子学（spintronics）作为半导体物理发展的新分支，目前主要在两个方面着重展开研究：半导体磁电子学和半导体量子自旋电子学。前者希望在最近的将来会有实际的结果，后者则已成为21世纪的重要研究论题。半导体自旋电子学作为信息处理

电子自旋共振

微波段电子自旋共振实验 【实验目的】 1. 了解和掌握各个微波波导器件的功能和调节方法。 2. 了解电子自旋共振的基本原理，比较电子自旋共振与核磁共振各自的特点。 3．观察在微波段电子自旋共振现象，测量DPPH样品自由基中电子的朗德因子。 4. 理解谐振腔中TE10波形成驻波的情况，调节样品腔长，测量不同的共振点，确定波导波长。 5．根据DPPH样品的谱线宽度，估算样品的横向弛豫时间。 【实验仪器】 FD-ESR-II型微波电子自旋共振实验仪，双踪示波器 【实验原理】 概述:电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年，S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck 用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功。Stern和Ger1aok也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。 电子自旋共振(Electron Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(缩写为EPR,Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。 ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子、研究半导体中的杂质和缺陷、离子晶体的结构、金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以，ESR是一种重要的近代物理实验技术。 ESR的研究对象是具有不成对电子的物质，如(1)具有奇数个电子的原子，象氢原子；(2)内电子壳层未被充满的离子，如过渡族元素的离子；(3)具有奇数个电子的分子，如NO；(4)某些虽不含奇数个电子，但总角动量不为零的分子，如O2；(5)在反应过程中或物质因受辐射作用产生的自由基；(6)金属半导体中的未成对电子等等，通过对电子自旋共振波谱的研究，即可得到有关分子、原子或离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关的物理结构和化学键方面的知识。 用电子自旋共振方法研究未成对的电子，可以获得其它方法不能得到或不能准确得到的数据。如电子所在的位置，游离基所占的百分数等等。 一、仪器简介 FD-ESR-II用来测量DPPH样品的ESR吸收谱线，测量g因子，并分析微波系统的特性。如图1所示。

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

自旋电子学与自旋电子器件简述

自旋电子学与自旋电子器件简述 陈闽江，邱彩玉，孙连峰 （国家纳米科学中心 器件研究室 北京 100190） 一、引言 2007年10月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖授予在 1988年分别独立发现纳米多层膜中巨磁电阻效应的法国Albert Fert 教授和德国Peter Grunberg 教授。其随后的应用不啻为革命性的，因为它使得计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆，一跃而提高了几百倍，达到几十G 乃至上百G 。越来越多的人开始了解这个工作及其对我们生活的影响，并意识到这个工作方向的重要意义。 1988年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance ，GMR)，1993年和1994年在钙钛矿锰氧化物中发现庞磁电阻效应(Colossal Magnetoresistance ，CMR)，特别是1995年在铁磁性隧道结材料中发现了室温高隧穿磁电阻效应(Tunneling Magnetoresistance ，TMR)以及后续形成的稀磁半导体等研究热潮，这些具有里程碑意义的人工合成磁性材料的成功制备和深入研究，不仅迅速推动了近20年凝聚态物理新兴学科——自旋电子学(spintronics)的形成与快速发展，也极大地促进了与自旋极化电子输运相关的磁电阻材料和新型自旋电子学器件的研制和应用。中国科学院物理研究所朱涛研究员表示：“Albert Fert 和Peter Grunberg 种下了一粒种子，随着20世纪90年代应用的突破，这粒种子长成了一棵小苗——自旋电子学，这是一个成长很快、前景广阔的磁学分支。” 二、电子自旋与自旋电子学 要阐明自旋电子学，就不得不先简述一下电子自旋这一概念。电子自旋不是电子的机械自转，电子自旋及磁矩是电子本身的内禀属性，所以也被称为内禀角动量和内禀磁矩。它们的存在标志电子还有一个新的内禀自由度。所以电子状态的完全描述不但包括空间三个自由度的坐标（r ），还必须考虑其自旋状态。更确切地说，要考虑自旋在某给定方向（例如z 轴方向）的投影的两个可能取值的波幅，即波函数中还应该包含自旋投影这个变量（习惯上取为），Z S 从而记为。与连续变量r 不同，只能取两个离散值。 (,)Z r s ψZ S 2± 接下来，认识电的和磁的相互作用在强度上的差异和不同的特点，可以了解自旋电子学的潜力。电荷周围存在电场，通过静电力和其他电荷发生相互作用，这种相互作用是强的和长程的。在常见的半导体中，两个相距5的元电A 荷间的相互作用能可达0.2eV ，它正比于距离的倒数。1V 的电压可使载流子1r 改变1eV 的能量。然而距离为5的一对电子自旋之间的磁偶极耦合能却只有A

电子自旋共振

电子自旋共振 电子自旋共振（ESR ）也称为电子顺磁共振（EPR ）。由于这种磁共振现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，所以称电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献，所以又称为电子自旋共振。电子自旋的概念是著名物理学家泡利（Wolfgang Pauli 1900——1958）1924年研究反常塞曼效应时首先提出的，他通过计算发现，满壳层的原子实际应具有零角度的动量，因此他断定反常塞曼效应的谱线分裂只是由价电子引起的，而与原子核无关，显然价电子的量子论性质具有“二重性”，接着他提出了著名的泡利不相容原理。1945年泡利因发现泡利不相容原理而获诺贝尔奖。 由于电子自旋磁矩远大于核磁矩，所以电子自旋共振的灵敏度要比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观测到电子自旋共振现象。 电子自旋共振的主要研究对象是化学上的自由基、过度金属离子和稀土元素离子及其化合物、固体中的杂质和缺陷等。通过对电子自旋共振谱图的分析可以得到材料微观结构的许多信息。在化学、医学和生物学方面也有较多应用。 实验目的 1． 在弱磁场（1mT 量级）下观测电子自旋共振现象。测量DPPH 样品的g 因子和共振线宽。 2． 了解电子自旋共振等磁共振实验装置的基本原理和测量方法，熟悉磁共振技术。 实验原理 1． 电子的自旋磁矩 电子的轨道运动磁矩为 l e l P m e v v 2?=μ （1） 其中e 为电子电量，m e 电子质量，为电子轨道的角动量 l P h )1(+=l l P l 其中为角量子数，为约化普朗克常量。因此，电子的轨道磁矩为 l h

B e l l l m e l l μμ)1(2) 1(+=+=h 其中μB 称为玻尔磁子 2241027.92m A m e e B ?×== ?h μ 电子的自旋磁矩为 s e s P m e v v 2?=μ （2） h )1(+=s s P s B e s s s m e s s μμ)1(2)1(+=+=h 其中s 为自旋量子数，自由电子的s = 1/2；P s 为自旋角动量。 二者的合成（LS 耦合）即为单电子原子的总磁矩 j e j P m e g v v 2?=μ （3） 其中g 称为朗德因子 ) 1(2)1()1()1(1212222++++?++=+?+=j j s s l l j j P P P P g j s l j （4） 其中j 为LS 耦合总角动量量子数。 将式（1）、（2）与（3）比较可知，对于单纯轨道运动g = 1。而对于单纯自旋运动 g = 2，精确测量得到g 的公认值，g = 2.0023。 引入旋磁比γ，式（3）可以写成 e j j e j m e g P P m e g 2,2?==?=γγμv v v （5） 在外磁场中，P j 和μj 空间取向都是量子化的。它们在外磁场B 方向的投影为 B z z mg m m P μγμ?===h h , （6） 其中m 为磁量子数，m = j ，j –1，…，–j。

磁化率实验报告1

磁化率的测定 08材化2 叶辉青200830750230 1 实验目的 1.1 掌握古埃(Gouy)法测定磁化率的原理和方法。 1.2 测定三种络合物的磁化率，求算未成对电子数，判断其配键类型。 1.3 了解磁天平的原理与测定方法。 1.4 熟悉特斯拉计的使用。 2 实验原理 2.1 磁化率 物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁场，其磁场强度H′与外磁场强度H 之和称为该物质的磁感应强度B，即 B=H+H′(1) H′与H方向相同的叫顺磁性物质，相反的叫反磁性物质。还有一类物质如铁、钴、镍及其合金，H′比H大得多（H′/H）高达104，而且附加磁场在外磁场消失后并不立即消失，这类物质称为铁磁性物质。物质的磁化可用磁化强度I来描述，H′=4πI。对于非铁磁性物质，I与外磁场强度H成正比 I=KH (2) 式中，K为物质的单位体积磁化率(简称磁化率)，是物质的一种宏观磁性质。在化学中常用单位质量磁化率χm或摩尔磁化率χM表示物质的磁性质，它的定义是 χm=K/ρ(3) χM=MK/ρ(4) 式中，ρ和M分别是物质的密度和摩尔质量。由于K是无量纲的量，所以χm 和χM的单位分别是cm3/g和cm3/mol，磁感应强度SI单位是特［斯拉］(T)，而过去习惯使用的单位是高斯(G)，1T=104G。 2.2 分子磁矩与磁化率 物质的磁性与组成它的原子、离子或分子的微观结构有关，在反磁性物质中，由于电子自旋已配对，故无永久磁矩。但是内部电子的轨道运动，在外磁场作用下产生的拉摩进动，会感生出一个与外磁场方向相反的诱导磁矩，所以表示出反磁性。其χM就等于反磁化率χ反，且χM<0。在顺磁性物质中，存在自旋未配对电子，所以具有永久磁矩。在外磁场中，永久磁矩顺着外磁场方向排列，产生顺磁性。顺磁性物质的摩尔磁化率χM是摩尔顺磁化率与摩尔反磁化率之和，即 χM=χ顺+χ反(5) 通常χ顺比χ反大约１～３个数量级，所以这类物质总表现出顺磁性，其χM>0。顺磁化率与分子 永久磁矩的关系服从居里定律

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

微波段电子自旋共振

微波段电子自旋共振 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、实验仪器 本实验使用ＭＳＤ-Ⅱ型电子顺磁共振谱仪观测电子自旋共振信号。 该仪器采用微波边限振荡器自检，低频小调场、慢扫描磁场、锁相放大、计算机自动控制、数据采集、实时显示、数据处理等技术。 该仪器由主机、电磁铁和计算机组成。 整体结构框图如图11.3-2所示。共分为５部分：１．微波部分，２．调制部分，３．扫描部分，４．放大部分，５．测控及接口部分。主机核心部分是微波边限振荡自检系统。它由一端为可调短路活塞，另一端为短路块的３ｃｍ矩形标准波导所构成的变频谐振腔及安放在其中的Ｇｕｎｎ二极管组成，利用Ｇｕｎｎ二极管的负阻特性，可以使它产生Ｘ波段范围内的微波振荡，适当选择Ｇｕｎｎ二极管偏置电压（改变串接电阻）使其处于边限振荡状态（类似于ＮＭＲ中的边限振荡），调节短路活塞，改变腔长以改变微波振荡频率 其频率由安装在腔体上的波长表测量，待测样品粘贴在短路中心的样品杆（黄铜圆柱转杆）

上，它可以做０～３６０°的旋转，使待测样品晶轴对磁场有不同取向，从而研究晶体的各向异性。在靠近短路块内壁波导窄壁中央开有φ２ｍｍ的小孔，以便做参比法测量时，插入参比样品管。为保证待测样品和参比样品处于相同的微波场中，还可将参比样品与待测样品一起粘贴在样品杆上，Ｇｕｎｎ管除做微波源外，还兼做检波器（即当ＥＰＲ发生时，腔的Ｑ值下降，微波振荡电压下降），称为自检，为了提高信噪比和稳定性，Ｇｕｎｎ管装有良好的散热装置。 Ｇｕｎｎ管偏置电压（１０～１２Ｖ）可由干电池或稳压电源供给，本实验采用双路稳压电源，另一路做激磁电源，为电磁铁提供稳定的直流电流。 样品放置在靠近短路块内壁微波磁场Ｂ１最强最均匀处，且与恒磁场Ｂ垂直，满足磁共振对Ｂ和Ｂ１极化方向的要求。 用微波边振自检ＥＰＲ谱仪观测某物质的ＥＰＲ谱线，关键在于调节Gunn二极管的边限振荡状态，即必须使Gunn二极管工作在门限偏置电压Ｖth附近（Gunn二极管偏压略高于Ｖth）。 还有控制、数据采集及处理系统，计算机及专用软件包。 该谱仪可工作在程控扫描和自动扫描两种方式，谱仪通过串行口与微机进行通讯，可实现对扫描电流的控制和对数据进行累加和处理。软件采用ＶＢ编程，在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下运行。整个界面具有菜单式、汉字工作提示、实验数据实时屏幕绘图、实验参数实时显示

电子自旋共振——近五年的研究与发展

电子自旋共振 ——近五年的研究和进展很早就听说过核磁共振，便怀着求知与好奇的心，选了刘老师的磁共振原理。当然要真正的了解磁共振原理，要从各种相关的方面与相关的领域入手，才能体会到磁共振原理的真正含义以及将来的发展与应用。所以，我先从探讨与磁共振原理相关的电子自旋共振，初步了解并浅谈电子自旋共振近五年的进展与研究。 首先我们先了解什么电子自旋共振以及现象。电子自旋共振（E SR），过去常称为电子顺磁共振（EPR），是属于自旋1/2粒子的电子在静磁场下的磁共振现象，类似静磁场下自旋1/2原子核有核磁共振之现象，又因利用到电子的顺磁性，故称电子顺磁共振。电子自旋共振成像（Electron Spin Resonance Imaging, ESRI）是基于ESR技术和CT扫描成像技术的一种影像化显示和测量样品中自由基或顺磁物种的分布及其变化过程的无损检测技术。常规ESR只能测定自由基的的种类和浓度，但是不能测定自由基的空间分布。ESRI技术在物理学、化学、半导体学、地质学、考古学、生物学和医学等许多科研领域有着巨大的应用前景，特别是在生物学和医学中的应用价值和潜力更十分引人注目。研究活细胞和活体组织产生自由基及天然抗氧化剂在细胞和心脏或脑中与NO和氧自由基作用的空间分布和反应动力学，给出体内自由基分布图和各种疾病的关系，这对从整体概念研究自由基在细胞和活体组织损伤作用机理有重要理论意义。

大致了解完后电子自旋共振以及其成像特点，我们可能会想到核磁共振，那么我们探讨电子自旋共振和核磁共振有何相关的联系以及他们的异同点。电子自旋共振虽然原理类似于核磁共振，但由于电子质量远轻于原子核，而有强度大许多的磁矩。以氢核(质子)为例，电子磁矩强度是质子的659.59倍。因此对于电子，磁共振所在的拉莫频率通常需要透过减弱主磁场强度来使之降低。但即使如此，拉莫频率通常所在波段仍比核磁共振拉莫频率所在的射频范围还要高——微波，因而有穿透力以及对带有水分子的样品有加热可能的潜在问题，在进行人体造影时则需要改变策略。举例而言，0.3 特斯拉的主磁场下，电子共振频率发上在8.41 吉赫，而对于常用的核磁共振核种——质子而言，在这样强度的磁场下，其共振频率为12.77 兆赫。 ESR成像原理。常规ESR测量时，样品整体处于均匀磁场中．当满足ESR条件，即hν＝gβH时，产生ESR共振吸收，测得的ESR 信号．在ESR成像时，在主磁场上迭加梯度磁场，因此样品整体处在非均匀磁场中，于是样品中不同空间位臵产生共振时的主磁场不同，即信号发生位移．采集的ESR信号经过数据处理、图像重建后，即可得到样品中自由基或自旋密度的空间位臵分布图，也就是三维顺磁共振系统。 对于电子自旋共振的研究，我们利用ESR的技术特点，在多个领域进行了应用和发展，其中包括固态物理，辨识与定量自由基分子(即带有不成对电子的分子)。化学，用以侦测反应路径。生物医学领域，用在标记生物性自旋探子等，我们取几个重点来探

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

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 = =----

电子自旋共振ESR实验

电子自旋共振(ESR)实验 泡利(Pauli)在1924年提出电子自旋的概念，可以解释某些光谱的精细结构。1944年，原苏联学者扎沃依斯基(E ．K ．ЗАБОИСКИИ)首先观察到电子自旋共振现象。 电子自旋共振(ESR)的研究对象是含有未偶电子(或称未配对电子)的物质。通过对这些物质ESR 谱的研究，可以了解有关原子、分子及离子中未偶电子的状态及其周围环境的信息，从而获得物质结构方面的知识。这一方法具有很高的灵敏度和分辨力，而且在测量过程中不破坏样品的物质结构，因此，在物理、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。此外，ESR 也是精确测量磁场的重要方法之一。 一、实验原理 ESR 的基本原理与NMR 相似，下面作简要说明。 按照量子力学，电子自旋角动量 )1(||+=s s P s ，其中，s 为电子自旋量子数， h h s ,2/,2 1π== 为普朗克常数。电子自旋磁矩s μ 与电子自旋角动量s P 的关系式为 s e s P m ge 2-=μ (1) 式中，e 为电子电荷，e m 为电子质量，g 称为朗德因子，对自由电子来说，0023.2=g 。当电子处于稳恒磁场中时，原来的单个能级将劈裂为两个能级，如图1所示。相邻能级的间隔为 B g E B μ?= (2) 式中T J m he e B /102741.9224-?=- =μ，称为玻尔磁子，B 是稳恒磁场的磁感应强度。 图1 电子能级分裂示意图 根据磁共振原理，如果在与B 垂直的平面内，施加一个频率为v 的交流磁场1B ，当满 足条件

B g E hv B μ?== (3) 电子就会吸收磁场1B 的能量．从下能级跃迁到上能级。这就是电子自旋共振现象。因角频率v πω2=,上式可改定为 B h g B μω= (4) 或 gB m e e ω2= (5) 由电子自旋共振测出ω和g B ,为常数，就可求得电子荷质比。 因玻尔磁子约为核磁子的1836倍，即电子自旋磁矩比核磁矩大三个数量级，在同样磁场作用下，电子塞曼能级之间的间距比核塞曼能级间距大得多。根据玻尔兹曼分布定律，上、下能级间的粒子数差额也大得多。因此，电子自旋共振信号比核磁共振信号强很多。磁感应强度B 为0.1～1特斯拉时，核磁共振发生在射频范围，电子自旋共振则发生在微波频率范围。然而，对于电子自旋共振，即使在较弱的磁场下，例如mT 1，在射频也能观察到电子自旋共振现象。本实验是在弱磁场下，用较简单的实验装置观察电子自旋共振现象。 二、实验装置 实验装置示意如图2所示，它由ESR 电源，探测器／边限振荡器、示波器、标准高频信号发生器、直流稳态电源、安培表、滑线变阻器等组成。 图2 实验装置图 稳恒磁场和扫场用同一螺线管产生，螺线管直径18.3=d 厘米，长00.7=l 厘米，线圈总匝数为300匝。螺线管中部磁感应强度可由下式计算：

巨磁电阻实验报告

巨磁电阻实验报告 【目的要求】 1、 了解GMR 效应的原理 2、 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、 测量GMR 的磁阻特性曲线 4、 用GMR 传感器测量电流 5、 用GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR 转速（速度）传感器的原理 【原理简述】 根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律 R=ρl/S 中，把电阻率ρ视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm ），可以忽略边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为0.3nm ），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。 电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。 在图2所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。 无外磁场时顶层磁场方向 无外磁场时底层磁场方向 图 2 多层膜GMR 结构图 图3是图2结构的某种GMR 材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆