一、实验目的
1、了解电子自旋共振现象；
2、学习用微波频段检测电子自旋共振信号的方法；
3、观察吸收或散波形；
4、熟悉电子自旋共振原理。
二、实验原理
电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)又称电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)。 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电子自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。1924 年，泡利（Pauli）首先提出了电子自旋的概念。1944年，前苏联的柴伏依斯基首次观察到了电子顺磁共振现象。1954 年开始，电子自旋共振逐渐发展成为一项新 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、分子以及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、医学等领域有广泛的应用。
（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为
（2－1）
式中为电子轨道运动的角动量，e为电子电荷，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
，
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，自旋运动角动量与自旋磁矩之
（2－2）
其数值大小分别为
，
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，总磁矩与角动量之间有
（2－3）
其中
（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
（2－5）
其中 （2－6）
在外磁场中，和的空间取向都是量子化的。在外磁场方向上的投影为
，
相应的磁矩在外磁场方向上的投影为
， （2－7）
称为玻尔磁子，电子的磁矩通常都用玻尔磁子作单位来量度。
（二）． 电子顺磁共振 （电子自旋共振）
既然总磁矩的空间取向是量子化的，磁矩与外磁场B的相互作用能也是不连续的。其相应的能量为
（2－8）
不同磁量子数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，两相邻磁能级之间的能量差为
（2－9）
当垂直于恒定磁场B的平面上同时存在一个交变的电磁场B1，且其角频率满足条件：
，即
（2一10）
时，电子在相邻的磁能级之间将发生磁偶极共振跃迁。从上述分析可知，这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。
（三）实验仪器
本实验所用的FD-TX-ESR-II型顺磁共振实验仪（装置图如下）采用扫场法。检测共振信号
FD-TX-ESR-II电子顺磁共振仪的结构如图所示，它是由电子顺磁共振仪主机、磁铁、示波器、微波系统（包括微波源、隔离器、阻抗调配器、钮波导、直波导、可变短路器及检波器）构成的。
三、实验步骤
1、按要求连接好实验仪器；
2、接通电源，打开仪器开关；
3、信号调出以后，关机，将阻抗匹配器接在环型器中的（Ⅱ）端与钮波导中间，开机，通过调节阻抗匹配器上的旋钮，就可以观察到吸收或散波形；
4、拍下示波器上的吸收波形；
5、拍完吸收波形后，调节示波器，再观察李萨如图形；
6、拍下观察到的李萨如图形。
四、实验结果和图像
电子顺磁共振李萨如图
五、分析与感想
此次实验让我看到了FD-TX-ESR-II的强大功能，熟悉了此仪器的使用方法和基本原理。同时加深了对电子自旋共振的认识与理解。明白了电子顺磁共振（EPR）是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。及电子顺磁共振（EPR）和核磁共振（NMR）的区别：
a. EPR和NMR是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重新取向所需的能量；
b. EPR的共振频率在微波波段，NMR共振频率在射频波段；
c. EPR的灵敏度比NMR的灵敏度高，EPR检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M的数量级；
d. EPR和NMR仪器结构上的差别，前者是恒定频率，采取扫场法，后者还可以恒定磁场，采取扫频法。
六、注意事项
1、注意保护好电磁铁磁极表面；
2、实验中对实验仪器不要生拉硬拽避免损坏接线；
3、注意保持微波系统水平，样品腔应调至磁场中心位置；
4、调节微波信号时，注意要缓慢调节各部分旋钮，并要时刻注意波 形变化。
脉冲核磁共振
一、实验目的
1.了解脉冲核磁共振的共振条件；
2.了解脉宽与信号的关系；
3.了解回旋波，利用自旋回波测量弛豫时间T2和饱和恢复法测T1；
4.了解波谱仪的工作原理。
二、实验原理
经典理论观点
1.单个核的拉莫尔进动
具有磁矩的原子核放在恒定磁场中，设核角动量为P，则由经典理论可知
且，则联立两式有
由推导可知核磁矩在静磁场中的运动特点为
安全带扣（1）绕外磁场做进动，进动角频率满足，与它们之间的夹角无关；
（2）它在xy平面上的投影为一常数；
（3）在外磁场方向的投影也为一常数；
如果再外磁场垂直方向加一个旋转的射频磁场，且,设的角频率为，当时，则旋转磁场与进动着的核磁矩在运动中总是同步的。可设想在原坐标基础上建立一个旋转坐标系，使得从旋转坐标系来看对的作用恰似恒定磁场，它必然要产生一个附加转矩，因此也绕做进动，使得它们之间的夹角发生改变。由核磁矩的势能公式
可知的改变意味着E的改变。这个变化是以所加旋转磁场的能量变化为代价的。当增大时，核要从外磁场吸收能量，这就是核磁共振现象，共振条件为
2.布洛赫方程
以上讨论的都是单个核的核磁共振，但实验中观测的是样品中的磁化强度M的变化
则有。其分量为
此为布洛赫方程。
其瞬态解图像为
sky angel vol.92
3.弛豫
电子顺磁共振
由布洛赫阻尼力矩，可得磁化强度各分量的弛豫表达式：
实验上，可通过选择不同的脉冲序列产生FID信号和自旋回波信号的方法来测量弛豫时间和。
（1）的测量 本实验中采用脉冲序列的自旋回波观测方法，上面已分析了该脉冲序列回波产生的物理过程。根据上式可知，磁化强度横向分量的弛豫过程为：
铅球场地示意图
而时刻自旋回波的幅值与乙基氯化物成正比，即
式中，是射频脉冲刚结束时FID信号的幅值，与成正比。只要改变脉冲间隔，则自旋回波的峰值也相应的改变。若依次增大，测量对应的回波峰值，可得按指数衰减的包络线。
（2）的测量 实验中采用脉冲序列的饱和恢复观测方法。样品在加90度脉冲后跃迁到激发态，在激发态弛豫向基态弛豫过程有
然后经过时刻再加90度脉冲，则有
由上式可看出：第二脉冲随的增加信号强度按指数增加。
4.实验装置如下图
三、实验步骤
1． 连接好电路，确认无误，通电。（严禁在未接开关输入的情况下打开射频放大器尤其是射频脉冲已经接入。虽然已经安装保护装置但也存在射频脉冲烧坏器件的可能性）。
2．调节双通道示波器，使能同时观察到CH1和CH2，并以CH1为同步信号。
3．分别调节脉冲发生器“重复时间”和“脉冲间隔”，观察示波器CH1和CH2信号的变化情况。
4．进一步，分别调节脉冲发生器“第一脉冲宽度”及“第二脉冲宽度”，观察示波器CH1和CH2信号的变化情况。
5．将脉冲发生器“重复时间”及“脉冲间隔”调至20－100ms，“第一脉冲宽度”及“第二脉冲宽度”调至0.1－0.5ms，调节励磁电流（注意：可能需要调换电流方向）直至观察到核磁共振信号。
6．适当调节“第一脉冲宽度”和励磁电流使核磁共振信号最大。最后，在允许的范围内从0
开始，逐步增加“第一脉冲宽度”，观察记录核磁共振信号的变化情况。采用相同实验步骤，观察记录核磁共振信号随“第二脉冲宽度”变化情况。
7．自由衰减观测分析。在磁共振条件下，调节“第一脉冲宽度”为脉冲，即可观察到自由衰减过程。溴化丁基橡胶
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