简介

铁磁共振实验是了解铁原子中电子的磁共振现象。

自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为

ΔE = γhB₀                                     （1）

其中：γ为旋磁比，h为约化普朗可常数，B₀为稳恒外磁场。

如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为

hν                                              （2）

其中：ν为交变电磁场的频率。

当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：

hν = γh B₀                                 （3）

2πν = γ B₀                                 （4）

低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。

 

实验设备

a)         样品为铁氧体，提供实验用的铁原子。

b)        电磁铁，提供外磁场，使铁原子能级分裂。

c)        微波，提供能量，使低能级电子跃迁到高能级。

d)        波导，单方向传导微波，使其通过样品。

e)         波长表，测量微波的波长。

f)         谐振腔，其谐振频率与微波的频率相等，进入的微波与其谐振，样品即放在波峰处，该处的微波磁场与外磁场垂直。

g)        固体微波信号源，产生9GHZ左右的的微波信号。

h)        隔离器，使微波只能单方向传播。

i)          衰减器，控制微波能量的大小。

j)          输出端，含有微波检波二极管，其输出电流与输入的微波功率成正比。

k)        直流磁场电压源，给电磁铁提供励磁电流，改变输出电压的大小即可改变磁场的大小。

l)          微安表，指示检波电流的大小。

m)      微波电源，为固体微波信号源提供电源。

 

实验原理

铁磁共振实际上是铁原子的电子自旋顺磁共振，电子能级裂距约为核磁能级裂距的1840倍。所以能级间跃迁所需的能量要比核磁共振需要的能量大的多，因此我们用微波（约9GHZ）来提供电子跃迁所需的能量。

在实验中微波的频率ν是固定的，其提供的能量hν也是固定的。为使铁原子中电子能级间的能量差能等于该值，我们改变直流磁场的电压值，使外磁场磁感应强度B变化，因而使电子能级间的能量差γhB随之改变，使其扫过微波能量值hν，使等式

hν = γhBr

成立，产生铁磁共振。Br为谐振点处的磁感应强度值。

 

实验步骤:

1． 测微波频率：

打开微波电源，调节衰减器，使微安表有50μA的指示。

旋转波长表的螺旋测微器，微安表电流指示逐渐减小，当电流达最小值时，读取螺旋测微器刻度值，对照刻度值与频率的关系对照表，得微波频率值。

 

刻度平均值：2.962mm

对应频率：ν = 9006MHz

旋转波长表的螺旋测微器，使微安表回到约50μA的指示。

2． 测I—B曲线：

旋开谐振腔上的样品盒旋钮，小心放入样品。

将波导有样品的部分放入永磁铁的中心部分。

将实验仪的磁场输出端接入永磁铁，逐渐加大励磁电流，记取励磁电流值I(A)，同时读微安表的读数I(μA)，根据转换表将励磁电流值(A)转换为磁感应强度值B，作I-B曲线。（表格附后）

据曲线求半高宽ΔB，谐振点磁感应强度Br(对应I(μA)最小值)，和g因子。

ΔB=312-278=34 mT

Br = 300 mT

g = 2πνh/Brμ_B

 = 2*3.142*9006*106*6.582*10^-22/300*10-3*5.788*10^-11

 = 2.15

h 普朗克常数

μ_B 玻尔磁子

[附]实验数据表：