Задача 14. Электронный парамагнитный резонанс. (1121306), страница 2
Текст из файла (страница 2)
ВеличинаJ0 ,соответствующая максимальномупоглощению, называется пиковой интенсивностью спектра, а площадь подкривой, задаваемая+∞J инт = ∫ J ( H ) d H−∞(17)называется интегральной интенсивностью спектра. Последняя связана сконцентрацией парамагнитных частиц в веществе. Действительно, из вышеизложенного следует, что величина поглощения мощности СВЧ при ЭПРпропорциональнаразностизаселенностей(N1 – N2) уровней, междукоторыми происходят переходы.При реально используемых частотах и температурах N1>>N2, т.е. этаразность, в свою очередь, пропорциональна числу парамагнитных центровN0 в образце.
С другой стороны, поглощенная мощность СВЧпропорциональна площади под кривой Рис.1 ( интегральной интенсивностисигнала ЭПР).Рис.1. Линия поглощения ЭПР.Таким образом,+∞N 0 = b J инт = b ∫ J ( H ) d H−∞(18)где b – коэффициент, зависящий от условий эксперимента.Функция J(H) определяет форму спектра ЭПР и зависит от характеравзаимодействий парамагнитной частицы с окружающими частицами. Так, вомногих случаях J(H) довольно хорошо описывается гауссовой функцией.Но, так как в общем случае она не может быть задана аналитически,интеграл (18) рассчитывается численно.2.3.
Фактор спектроскопического расщепления (g-фактор).Парамагнитные частицы, находящиеся в конденсированных средах,взаимодействуют с окружающими диамагнитными заряженными частицами,которые создают электростатические поля там, где находятся парамагнитныеэлектроны. В итоге энергетические уровни этих электронов расщепляютсявследствиеэффектаШтарка.Взаимодействиеэлектроновсэлектростатическим полем в твердых телах во многих случаях больше или,по крайней мере, сравнимо с энергией спин-орбитальной LS связи. В этомслучае нельзя пользоваться квантовым числом J, а лишь L и S.Из этого следует, что в ЭПР- спектроскопии твердых тел некорректнопользоваться понятием фактора Ланде, так как выражение (7) в данномслучае теряет свой логический смысл. Вместо этого вводится понятие"фактора спектроскопического расщепления", иначеg-фактора.
Этавеличина определяется экспериментально из "резонансного условия" типа(13) и (15) путем подстановки измеренных значений ν и Н, а также константβ и h в эти выражения.2.4. Сверхтонкая структура спектров ЭПР.Весьма существенной особенностью спектров ЭПР во многих случаяхявляется сверхтонкая структура, возникающая, как и в случае оптическихспектров, в результате взаимодействия магнитных моментов неспаренныхэлектронов с магнитным моментом ядра.2+Рассмотрим это на примере иона Mn . Спин ядра марганца равенI = 5/2. Это значит, что во внешнем поле Н магнитный момент ядра можетдавать 2I + 1 = 6 различных значений проекции на направление поля. Это, всвою очередь, означает, чтоэлектронный магнитный момент будетвзаимодействовать с шестью различными магнитными полями H + mI A ,где А – константа сверхтонкой структуры, mI – магнитное спиновоеквантовое число ядра, которое в рассматриваемом случае принимает 6значений ( ±1/2, ±3/2, ±5/2 ).В этом случае магнитный моментµSбудетобладать шестью возможными значениями энергии, в результате чегокаждый электронный уровень расщепится на шесть подуровней сверхтонкойструктуры (рис.2).Рис.2.
Сверхтонкое расщепление электронных подуровнейЭкспериментальная часть.В предлагаемой Вам задаче по изучению ЭПР предлагаетсяисследоватьспектрысвободногорадикаладифенилпикрилгидразила(ДФПГ), ультрамарина и иона Mn2+, содержащегося в кристалле сфалерита (ZnS ) в качестве примеси.с MS = + ½ и MS = – ½ иона Mn2+в сфалерите и переходы между ними.Физическое содержание исследований сведется к следующему:1) Измерение g - факторов.2) Исследование сверхтонкой структуры спектра.3) Измерение содержания парамагнитных частиц в веществе.Для изучения ЭПР используются радиоспектрометры, которые всоответствии с изложенными физическими принципами явления должнысодержать следующие основные узлы:1.
Магнит, создающий постоянное магнитное поле на образце,необходимое для расщепления энергетических уровней содержащихся в немпарамагнитных частиц.2. Генератор электромагнитного излучения СВЧ-диапазона.3. Волноводный тракт, подводящий это излучение к объемномурезонатору, в который помещается исследуемый образец.4. Система, позволяющая изменять напряженность постоянногомагнитного поля для подбора значения, необходимого для выполнениярезонансного условия (15), так как обычно генераторы СВЧ-диапазонаизлучают в узком диапазоне частот.5. Детектор.6. Регистрирующее устройство.В данной работе предлагается проводить исследования на двухустановках. Одна из них включает в себя простейший ЭПР-спектрометрпрямого усиления, другая – стандартный ЭПР – спектрометр с двойноймодуляцией.УСТАНОВКА№1содержит:1) простейший спектрометр для наблюдения ЭПР;2)вспомогательнуюустановкудлямагнитного поля, основанную на ЯМР.Блок-схема установки приведена на Рис.3измеренияпостоянногоРис.3.
Блок - схема установки № 1 для наблюдения электронногопарамагнитного резонанса.1. Принцип работы простейшего ЭПР-спектрометраОт генератора СВЧ 3 мощность поступает по волноводному тракту 4 крезонатору 5, представляющему собой отрезок прямоугольного волновода.Исследуемый образец закреплен в резонаторе 5, при этом он находится впучностиволнымагнитнойсоставляющейэлектромагнитногополя.Резонатор с образцом помещается между полюсами электромагнита 1.
Полеэлектромагнита постоянного тока меняется в широком диапазоне (до 4000 Э)реостатом "ток магнита", размещенным в блоке управления токомэлектромагнита 13. СВЧ - излучение, прошедшее резонатор с исследуемымобразцом, попадает на детектор 6. Последний выделяет линию поглощения,котораяприсутствуетпоступающемнакакдетектор.огибающаяПослеСВЧ-колебанийусилениясигналвсигнале,поглощениярегистрируется на экране осциллографа 8.
Для того чтобы на экранеполучить неподвижное изображение, исследуемый сигнал необходимоподаватьнавертикальнуюразверткуосциллографасчастотойгоризонтальной развертки. Для этого резонансное значение поляНнеобходимо проходить с частотой горизонтальной развертки, для чего напостоянное поле электромагнита накладывается поле, меняющееся счастотой 50 Гц от модулирующих катушек 2, также управляемых блоком 13.2. Приборы, входящие в состав ЭПР - спектрометра.а)ИсточникомСВЧ-мощностислужитгенераторсигналоввысокочастотный типа Г4-111G (Рис. 4), настроенный на частоту порядка10 ГГц. В процессе работы требуется подстройка частоты и мощностигенератора. Для этого нужно воспользоваться ручкой 1 "частота", а такжеручкой 3 «уровень мощности».б)Блокуправлениятокомэлектромагнитаимодулирующимнапряжением 50 Гц.
В блоке объединены приборы управления и контроля заработой электромагнита постоянного тока и модулирующих катушек (Рис.5).Электромагнитвключаетсятумблером2,авеличинатокавнемустанавливается реостатом 1 и контролируется амперметром 5. Переменноенапряжение подается на модулирующие катушки при включении тумблера 3,а его величина устанавливается автотрансформатором 4. Величина тока вмодулирующих катушках контролируется амперметром 6.Рис.4.Передняя панельвысокочастотного генератора сигналов:1 – частота; 2 – шкала отсчета; 3 –уровень мощности; 4 –чувствительность; 5 – шкалачувствительности; 6 – амплитуда; 7 –сетьРис.5.Блок управления токомэлектромагнита и модулирующихкатушек (50 Гц): 1 – реостат; 2 –тумблер электромагнита; 3 – тумблер"модуляция 50 Гц"; 4 – ручкаавтотрансформатора; 5 – амперметртока электромагнита; 6 – амперметртока модулирующих катушек3.
Установка для измерения магнитного поля.Явлениеядерногомагнитногорезонанса(ЯМР),физическианалогичное ЭПР, широко используется как наиболее точный методизмерения магнитных полей. Как уже отмечалось в § 1, из-за большой массыядер частота ЯМР много меньше, чем ЭПР, в одном и том же магнитномполе. Если известно значение g-фактора для ядра, то, измеряя резонанснуючастоту ЯМР, можно по формуле типа (15) определить напряженностьмагнитного поля, в котором происходит ЯМР.В данной работе ЯМР (Рис.3) собран на базе стандартного прибораШ 1-1 , работающего в диапазоне 2–20 МГц, включающего в себя генераторЯМР (9) и индуктивный датчик (10), в котором запрессована ампула свеществом, содержащим ядра водорода.
Датчик помещается в постоянноемагнитное поле 1 рядом с резонатором, в котором находится исследуемыйобразец. Через детектор датчик соединен со вторым каналом двухлучевогоосциллографа 8. Применение ЯМР для измерения постоянного магнитногополя в данной задаче основано на том, что два идентичных по своей природеявления происходят в одном и том же магнитном поле, но на разныхчастотах. Измеряя частоту ЯМР и зная g-фактор водородсодержащеговещества, находящегося в датчике, и ядерный магнетон, можно определитьнапряженность резонансного магнитного поля по формулеН = 0,234864 f(19)где f – резонансная частота ЯМР-генератора, выраженная в килогерцах, аН– поле в эрстедах.На лицевую панель Ш 1-1 вынесен ряд приборов и ручек.
Стрелочныйприборв положении "генерация" указывает на наличие или отсутствиеколебаний ВЧ-генератора. Ручкой с гравировкой "частота" осуществляетсянастройка на необходимую частоту. Ручкой с гравировкой "усиление"устанавливаетсянеобходимыйкоэффициентусилениясхемы,увеличивающий сигнал ЯМР.Электронно-счетныйчастотомерЧЗ-22(12нарис.3)позволяетизмерять искомую частоту в диапазоне от 10 Гц до 20 МГц.Измеряемый по частоте сигнал подается на вход А, при этомпереключатель "род работ" устанавливается в положение "частота А".Частота регистрируется по цифровому индикатору на передней панелиЧЗ-22.Двухлучевой осциллограф (8) используется для наблюдения сигналовЭПР и ЯМР (по разным лучам) в режиме непрерывной развертки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
