2.2 (829247)
Текст из файла
Атомный практикум. 2017 год.Электронный парамагнитный резонансОтчет по лабораторной работе №2.2Камешков Олег ЭдуардовичГруппа 14311Цель: исследовать явления электронного парамагнитного резонанса вобъемных образцах.Задачи:Идея метода измерения:При помещении парамагнитного вещества в магнитное поле происходит избирательноепоглощение последнего при определенном соотношении между напряженностьюпостоянного магнитного поля и частотой переменного электромагнитного поля.ТеорияПарамагнетикиМагнитные свойства атомов и молекул определяются магнитными моментами электронов,а также протонов и нейтронов, входящих в состав атомных ядер. Магнитные моментыатомных ядер существенно меньше магнитных моментов электронов, поэтому магнитныесвойства вещества определяются, главным образом, магнитными моментами электронов.Магнитные свойства электронов в атомах обусловлены их орбитальным движением вокругядра (орбитальный механический момент), а также существованием собственногомеханического момента электрона, получившего название спина.
Магнитный момент Mпарамагнитного образца складывается из магнитных моментов μi входящих в негоNпарамагнитных частиц: M = ∑ μi , где N – число парамагнитных частиц. При отсутствииi=1внешнего магнитного поля H хаотическое тепловое движение парамагнитных частицприводит к усреднению до нуля суммарного магнитного момента ( M = 0 ). Если жепарамагнетик поместить в постоянное магнитное поле H , то магнитные моменты частицμi ориентируются вдоль направления вектора H , поэтому возникает отличный от нулясуммарный магнитный момент, т. е. образец намагничивается.Квантовомеханическое описание ЭПРДля выяснения физической картины явления ЭПР рассмотрим, каким образом постоянноемагнитное поле H 0 и переменное магнитное поле H1 (t ) влияют на энергетические уровниизолированного парамагнитного атома (или иона).
В большинстве химических ибиологических систем, исследуемых методом ЭПР, орбитальные магнитные моменты Lпарамагнитных центров, как правило, либо равны нулю, либо практически не дают вкладав регистрируемые сигналы ЭПР. Это связано с тем, что у большинства атомов и молекул внормальном состоянии основной терм соответствует L = 0 . Поэтому для простоты будемсчитать, что парамагнитные свойства образца определяются суммарным спином атома S .При отсутствии внешнего магнитного поля энергия свободного атома не зависит оториентации спина.
При включении внешнего магнитного поля H 0 происходитрасщепление уровня энергии на 2 S + 1 подуровней, соответствующих различнымпроекциям суммарного спина S в направлении вектора H 0 : Ems = ms gH 0 µ B . Если энергияквантов электромагнитного излучения с частотой ν , действующего на систему спинов вовнешнем магнитном поле, равна разности энергий между соседними уровнями, т.
е.Кафедра общей физики. Физический факультет НГУ.1Атомный практикум. 2017 год.hν = gH 0 µ B , то такое излучение будет вызывать переходы между энергетическимиуровнями, вызывающие изменение ориентации спинов. Согласно квантовомеханическимправилам отбора, разрешены лишь такие переходы, при которых ∆ms =±1 . Из квантовоймеханики известно также, что переходы, подчиняющиеся правилу ∆ms =±1 , соответствуютизлучению (поглощению) электромагнитной волны, поляризованной по кругу. При этомплоскость, в которой вращается вектор магнитного поля в этой волне, перпендикулярнанаправлению постоянного поля H 0 . С этим, частности, связана поляризация компонентспектральной линии в простом эффекте Зеемана.В состоянии термодинамического равновесия населенности нижнего ( N1 ) и верхнего ( N 2 )N2 hν exp −уровней определяются распределением Больцмана: =N1 kT где N 2 и N1 – количество атомов, имеющих значения магнитного квантового числаms = +1/ 2 и −1/ 2 k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.
Посколькунижние энергетические уровни населены больше верхних уровней, то электромагнитноеизлучение будет чаще индуцировать переходы снизу-вверх (поглощение энергии), чемпереходы сверху вниз (излучение энергии). Поэтому в целом будет наблюдатьсяпоглощение энергии электромагнитного поля парамагнитным образцом.
В этом изаключается эффект ЭПР.Релаксационные процессыВ случае, если спин парамагнитной частицы взаимодействуют только с внешнимимагнитными полями, то под действием СВЧ волны населенность двух уровней сравняется,и поглощение электромагнитной волны исчезнет. Значит, для того чтобы СВЧ-волнанепрерывно поглощалась, должны существовать процессы диссипации энергии,переводящие частицы с верхнего уровня в основное состояние.
Для того чтобы понять,почему в условиях резонанса парамагнитная система поглощает энергиюэлектромагнитного поля, необходимо учесть явление магнитной релаксации. Суть этогоявления состоит в том, что парамагнитные частицы могут обмениваться энергией друг сдругом и взаимодействовать с окружающими их атомами и молекулами. Так, например, вкристаллах атомы могут передавать свою энергию кристаллической решетке, в жидкостях– молекулам растворителя. Во всех случаях независимо от агрегатного состояния веществапо аналогии с кристаллами принято говорить, что спины взаимодействуют с решеткой. Вшироком смысле слова термин «решетка» относится ко всем тепловым степеням свободысистемы, которым спины могут быстро отдавать поглощаемую ими энергию.
Благодарябыстрой безызлучательной релаксации спинов в системе успевает восстанавливатьсяпрактически равновесное отношение заселенностей зеемановских подуровней, прикотором заселенность нижнего уровня выше заселенности верхнего уровня, N 2 / N 2 < 1 .Поэтому число переходов снизу-вверх, отвечающих поглощению энергии, будет всегдапревышать число индуцированных переходов сверху вниз, т.
е. резонансное поглощениеэнергии электромагнитного излучения будет превалировать над излучением исследуемогообразца.Тонкая структура спектров ЭПРЕсли спиновый S и орбитальный L моменты в атоме отличны от нуля, то за счетвзаимодействия спинового и орбитального моментов ( LS -взаимодействие)энергетические уровни могут дополнительно расщепиться.Кафедра общей физики.
Физический факультет НГУ.2Атомный практикум. 2017 год.Сверхтонкая структура спектров ЭПРЕсли кроме неспаренных электронов исследуемый парамагнитный образец содержитатомные ядра, обладающие собственными магнитными моментами (1H, 2D, 14N, 13C и т.д.), то за счет взаимодействия электронных и ядерных магнитных моментов возникаетсверхтонкая структура спектра (СТС).Ширина спектральной линииСигналы ЭПР характеризуются определенной шириной спектральной линии. Связано этос тем, что зеемановские уровни энергии, между которыми происходят резонансныепереходы, не являются бесконечно узкими линиями Если вследствие взаимодействиянеспаренных электронов с другими парамагнитными частицами (спин-спиновоевзаимодействие) и решеткой (спин-решеточное взаимодействие) эти уровни оказываютсяразмытыми, то условия резонанса могут реализоваться не при одном значении поля H 0Ширина зависит от времени релаксацииАмплитуда линий в спектре ЭПРРаспределение интенсивностей между компонентами ЭПР-спектра свободных радикаловзависит от числа ядер (протонов), взаимодействующих с неспаренным электроном.
Есличисло протонов, с которыми взаимодействует электрон, равно двум, то каждый изподуровней, возникших вследствие взаимодействия с одним ядром, расщепляется на дваиз-за взаимодействия со вторым.Для n протонов количество линий будет равно (n + 1), а их интенсивность распределенакак биномиальные коэффициенты в разложении (1 + x) nРасстояние между спектральными линиями, измеренное в гауссах, называется константойсверхтонкого взаимодействия aств . Если радикал содержит протоны, по-разномувзаимодействующие с неспаренным электроном, то каждый тип протонов обладает своейaств .
Для интерпретации такого спектра необходимо определить величину aств и числопротонов каждого типа по расщеплению в спектре и относительной интенсивности линий.Методика измерении:Рис.1. Схема экспериментаКафедра общей физики. Физический факультет НГУ.3Атомный практикум. 2017 год.Результаты:1. Вначале был получен спектр Mn в MgO + ДФПГРис.2. Спектр Mn в MgO + ДФПГ и параметры установки при его получения time = 87,997 sec; Numberof points = 12571; Gain = 300; Modulation = 0,4 Gauss; TimeConstant = 0,01 sec; Bo = 3350 Gauss; deltaB =500 Gauss; Number of scans = 1; Fuhf = 10 GHz; MW Power = 3 mW;2.
Второй спектр CuCl2 + ДФПГ. Было произведено три вращения и снят спектр при разныхположениях образца.Рис.3. Спектр CuCl2 + ДФПГ и параметры установки при его полученияtime = 87,997 sec; Number of points = 12571; Gain = 300; Modulation = 0,4 Gauss; TimeConstant = 0,01 sec;Bo = 3200 Gauss; deltaB = 500 Gauss; Number of scans = 1; Fuhf = 10 GHz; MW Power = 3 mW;Кафедра общей физики. Физический факультет НГУ.4Атомный практикум. 2017 год.Были произведены следующие измерения.
Для Mn измерено расстояние между линиямипоглощения.Таблица 1. Расстояние между линиями поглощениямиBΔB3121833204803284903374883462903552Линия ДФПГ расположена на H0 = 3335 гаусс. Условие резонанса hν = g µ B H 0 Откудалегко можно вычислить g ДФПГ .h, erg*sec6,626E-27ν, Hz1,00E+10μB, erg/Gs9,274E-21H0, Gs3335В результате сложных вычислений g ДФПГ = 2.14Погрешности измерений:Обсуждение результата:Вывод:Литература в отчете:1. О.И. Мешков Электронный парамагнитный резонанс.Кафедра общей физики.
Физический факультет НГУ.5.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
