II Pracownia Fizyczna > Ćwiczenia laboratoryjne > Ćwiczenie 21

Paramagnetyczny rezonans elektronowy

Celem zadania jest zapoznanie się z możliwościami identyfikacji, oraz badań oddziaływań centrów paramagnetycznych w układach makroskopowych dzięki obserwacji zjawiska elektronowego rezonansu paramagnetycznego. Wykonując zadanie zapoznajemy się również z podstawami techniki mikrofalowej.

Zagadnienia

  1. Rezonans magnetyczny w ujęciu klasycznym  (moment magnetyczny w stałym i zmiennym   polu  magnetycznym):
    1. Omówić zachowanie się momentu magnetycznego w stałym polu magnetycznym. Wyprowadzić wyrażenie na częstość Larmora.
    2. Omówić zjawisko rezonansu magnetycznego w przybliżeniu oddziaływania z  wirującym polem magnetycznym.
  2. Moment magnetyczny cząstek, atomów i drobin:
    1. Atom w polu magnetycznym. Efekt Zeemana (słabe i silne pola magnetyczne), nadsubtelne rozszczepienie poziomów energetycznych.
    2. Zjawisko rezonansu magnetycznego w ujęciu kwantowym (omówić zjawisko rezonansu w obrazie obsadzeniowym)
    3. Warunki obserwacji rozszczepienia nadsubtelnego metodami EPR  (reguły wyboru dla przejść, rola oddziaływań wymiennych).
  3. Równania ewolucji magnetyzacji (równania Blocha):
    1. Interpretacja czasów relaksacji T1 i T2.
    2. Omówić stacjonarne rozwiązania równań Blocha.
  4. Kształt linii a oddziaływanie wewnątrz paramagnetyka.
  5. Metody obserwacji  EPR:
    1. Omówić ogólnie spektrometry mikrofalowe EPR  (spektrometry z rezonansową i  odbiciową wnęką rezonansową).
    2. Jakie są optymalne warunki pracy detektora mikrofal (diody krystalicznej) podczas pomiarów sygnału EPR w spektrometrach mikrofalowych.
    3. Na czym polega detekcja fazoczuła słabych sygnałów?

Literatura

  1. L. D. Stiepin, Wstęp do radiofizyki kwantowej.
  2. Ch. P. Slichter, Principles of Magnetic Resonance, roz. 1, 2.
  3. J. Hennel, Wstęp do teorii magnetycznego rezonansu jądrowego.
  4. J. Stankowski, A. Graja, Wstęp do elektroniki kwantowej, roz. 6.
  5. Radiospektroskopia ciała stałego, red. J. Stankowski, (PWN, Warszawa 1975), roz. I.1, I.8, II.4.
  6. C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego.
  7. M. Herman, Postępy Fizyki, tom XVII/2, 185 (1966).
  8. L. A. Blumfeld, W. W. Wojewodzki, Zastosowanie EPR w chemii.

Schemat spektrometru EPR

[Spektrometr EPR]

Wykonanie zadania

Uwagi wstępne

Wykonanie zadania obejmuje:

  1. Zapoznanie się z działaniem mikrofalowego spektrometru EPR i jego zestrojenie.
  2. Rejestracja sygnału elektronowego rezonansu paramagnetycznego w celu wyznaczenia położenia linii (g), jej szerokości oraz wykonanie analizy kształtu linii (Próbka 1),

    i/lub

  3. Badanie oddziaływania pomiędzy niesparowanym elektronem wolnego rodnika i jądrami rodnika. Badamy sygnał rezonansu elektronowego rodnika DPPH rozpuszczonego w benzenie. Stężenie DPPH w roztworze można zmieniać w zakresie 5×10-2 – 10-3 mol/L aby obserwować dodatkowo efekt uśredniającej rozszczepienie wymiany spinów. Analiza pomiarów powinna prowadzić do wyznaczenia izotropowej stałej struktury nadsubtelnej.
  4. Wykonanie pomiarów i opracowanie wyników (patrz: U1) (zgodnie z wymaganiami opiekuna).

Włączenie i przygotowanie spektrometru do pomiarów

  1. Włączyć blok zasilania układów spektrometru zabezpieczając wcześniej maksymalne tłumienie mocy dochodzącej do spektrometru mikrofalowego za pomocą tłumika T.
  2. Znajdujemy warunki rezonansu częstości klistronu i rezonatora z badaną próbką ustawiając przełączniki w położeniu "MODY". W ten sposó realizujemy periodyczne przestrajanie częstości klistronu refleksowego. Na oscyloskopie (O) obserwujemy moc dochodzącą do detektora. Minimum mocy odpowiada częstości rezonansowej. Minimum mocy odpowiada rezonansowi częstości klistronu i częstości rezonatora (literatura poz. 3, roz. 6, p. 6.3.3.). Jednocześnie za pomocą strojnika S dostrajamy się do maksymalnego poziomu sygnału mikrofalowego odbieranego przez detektor.
  3. Przy takim ustawieniu przełączników dokonujemy również, korzystając z falomierza, wstępnego pomiaru częstości klistronu (patrz: U2).
  4. Przełączamy przełączniki w pozycję "POMIAR" i "bez ARCz" i za pomocą strojników wnęki oraz transformatora dopasowującego PS dostrajamy dokładnie do minimum sygnału przy maksymalnej mocy dochodzącej do wnęki, którą ustalamy za pomocą tłumika T.(patrz: U3)
  5. Znajdujemy rezonans zmieniając ręcznie wartość pola magnetycznego i obserwując sygnał na "oscylografie" przy dołączeniu dodatkowej (50 Hz) modulacji cewek elektromagnesu). Dla badanej próbki wybieramy odpowiedni zakres przemiatania pola H0 w taki sposób aby automatycznie zapisać pełen sygnał rezonansu.
  6. Za pomocą przyrządu wirtualnego (ADC-100) - oscyloskopu sprzężonego z PC rejestrujemy sygnał  rezonansu dla różnych (3-5) wartości amplitudy modulacji. Do rejestracji wybieramy sposób pracy przyrządu (t, Y, X) = (czas, sygnał, ΔH0) lub (X, Y) = (ΔH0, sygnał)(patrz: U4).

Opracowanie i przedstawienie wyników

Ad. b:

  1. Przedstawiamy zarejestrowane sygnały po wykonaniu cechowania pola magnetycznego. Z analizy dopasowania odpowiednim profilem wyznaczamy położenie i szerokość linii.
  2. Dla jednej z krzywych rezonansowych wykonujemy analizę kształtu linii metodą graficzną (anamorfizmów liniowych) lub za pomocą dopasowania krzywymi o profilu gaussowskim i lorentzowskim (wykorzystując programy ORIGIN/Window, MNK-II Prac. Fiz./DOS lub inne).
  3. Ocenić, czy amplituda modulacji ma wpływ na kształt sygnału.

Ad. c: Po wycechowaniu pola magnetycznego rozkładamy sygnał rezonansu na sumę pięciu składowych będących pochodnymi funkcji kształtu linii. Jako funkcje kształtu linii wybieramy profile Gaussa i Lorentza (korzystamy z programu MNK-II Prac. Fiz./DOS). Do dalszej analizy wybieramy wartości parametrów otrzymane dla optymalnego dopasowania.

Inne pomiary i podsumowanie zgodnie z zaleceniem opiekuna.

Opis płyty czołowej spektrometru EPR

Spektrometr EPR

[Płyta czołowa spektrometru EPR]

Zasilacz elektromagnesu

[Płyta czołowa zasilacza elektromagnesu]