Определение g-фактора электрона с помощью электронного парамагнитного резонатора, страница 3

 

Рис. 3. Схема расщепления энергетических уровней электронов:  а – при взаимодействии с внутрикристаллическим полем, б – с учетом взаимодействия электрона с ядром

Из рис. 3б  видно, что в результате расщепления уровней вместо одной линии поглощения появляются две при напряженности внешнего магнитного поля B = B₀+ΔB_I  и B = B₀-ΔB_I. Расстояние между линиями в спектре называется сверхтонким расщеплением, его величина зависит от распределения электронной плотности. Таким образом, взаимодействие электронов парамагнитной частицы с магнитными моментами ядер расщепляет линию ЭПР.

Изучение тонкой и сверхтонкой структур дает возможность определить место нахождения неспаренных электронов.

Разность энергий между магнитными подуровнями даже в самых сильных полях меньше, чем разность энергий между энергетическими уровнями, относящимися к различным орбитам электрона в атоме. Поэтому в ЭПР используют радиоволны, соответствующие частотам 10⁹-10¹¹ Гц (СВЧ радиоволны) и длинам волн от нескольких дециметров до долей сантиметров.

Экспериментальная установка

Наблюдение ЭПР обычно осуществляется с помощью радиоспектроскопа (рис. 4). Радиоспектроскоп состоит из генератора СВЧ электромагнитных колебаний 1 (клистрона); полости с проводящими стенками, называемой объемным резонатором 2, находящейся между полюсами магнита 4 и содержащей исследуемый парамагнитный образец 3; чувствительного радиоприемника 5, настроенного на частоту генератора, и осциллографа 6. Обычно частоту генератора сохраняют постоянной и плавно изменяют магнитное поле. При этом луч осциллографа вычерчивает кривую, выражающую зависимость величины поглощения электромагнитных волн данной частоты от индукции магнитного поля. Пики на кривой соответствуют тем значениям магнитного поля, при которых на данной частоте ω выполняется условие (4) и представляют собой линии спектра ЭПР. 

 

Рис. 4. Общая схема эксперимента ЭПР.

Вид установки представлен на рис. 5.

 

Рис. 5. Экспериментальная установка для изучения ЭПР и ее компоненты: а - экспериментальная установка, б - блок питания, универсальный, в - управляющий элемент ЭПР, г - электронный парамагнитный резонатор

Магнитное поле создается катушкой с числом витков n = 250 и радиусом r = 0,054 м, по которой пропускается постоянный ток I

Резонатор выполнен по мостовой схеме, представленной на рис. 6.

Рис. 6. Принципиальная схема измерительного моста ЭПР.

Мост состоит из магазина сопротивлений R в одной ветке и цепи резонатора в другой. Исследуемый образец помещается в катушку, находящуюся в цепи резонатора. Мост выполнен таким образом, что полные сопротивления веток одинаковы и разность потенциалов между точками a и b равна нулю. Если установить внешнее магнитное поле таким образом, что произойдет поглощение энергии в образце, то появится напряжение между точками a и b, которое выпрямляется и усиливается. Для наблюдения этого сигнала на осциллографе магнитное поле модулируется переменным током частотой 50 Гц и напряжением 2 В. При этом точка резонанса проходится около 100 раз в секунду и сигнал поглощения можно показать на осциллографе.