Лабораторная работа №2. Исследование вынужденных электронных квантовых переходов и электронного парамагнитного резонанса в слабом магнитном поле

Цель работы: исследование индуцированных квантовых переходов между зеемановскими уровнями не спаренного электрона в слабом магнитном поле, определение магнитного момента атома (молекулы) и времени жизни атома в возбужденном состоянии.

Приборы: установка для возбуждения квантовых переходов между зеемановскими уровнями электронов—упрощенный спектрометр электронного парамагнитного резонанса (см. ниже).

Задание по подготовке к работе

1. Детально изучить закономерности сложения механиче­ски и магнитных моментов электронов в атомах и принци­пы ЭПР. Представить в первой части отчета основные соот­ношения, относящиеся к изучаемым закономерностям.

2. Изучить блок-схему экспериментальной установки и ме­тод. наблюдения сигналов резонансного индуцированного по­глощения. По описаниям, имеющимся в лаборатории, ознако­миться с устройством квантового магнитометра Ш1-1, частотомера, источника питания.

Рассчитать для g=2 частоту ЭПР для индукции поля B=0,3 Тл; 3 мТл

Указания по выполнению наблюдений

1. До начала эксперимента выдержать приборы включен­ными не менее 5—10 мин.

2. Установить ручкой «Модуляция» на панели прибора Ш1-1 уровень модуляции, соответствующий 50 делениям ука­зателя, при этом амплитуда модуляции . ширина X-развертки осциллографа 2 мТл.

3. Переключатель «Обратная связь» на приборе установить в положение IV и ручкой «Частота» установить наибольшую (около 30 МГц) частоту автодина. Уровень гене­рации должен соответствовать 1—3 делениям указателя.

4. .Увеличивать ток в катушках Гельмгольца пока на экране осциллографа в центре развертки не возникнут сигналы резонансного поглощения. Подобрать оп­тимальный уровень генерации автодина, при котором дости­гается наилучшее отношение сигнал/шум. Ручкой «Фаза» на приборе Ш1-1 совместить сигналы прямого и обратного хода модуляционного поля (см. рис. 5).

5. Зная ширину развертки осциллографа (2 мТл), оценить ширину линии резонансного поглощения (на уровне 0,5 наибольшей интенсивности).

6. Снять зависимость резонансной частоты от силы то­ка в катушках Гельмгольца. Для этого уменьшать ток в ка­тушках через, 0,05—0,10 А от значения, соответствующего наибольшей частоте автодина, до уровня, при котором сигнал трудно различим среди шумов и помех. Для каждого нового значения тока изменением частоты автодина устанавливать сигналы резонансного поглощения в центре развертки осцил­лографа. Получить 5—7 пар значений и .

7. Выключить источник тока, переключить выводы кату­шек Гельмгольца и повторить измерения по п. 6 (с противоположным направлением поля колец Гельмгольца).

Указания по обработке результатов

1. Используя формулу ( ) и параметры колец Гельм­гольца, перевести значения силы тока в пп. 6, 7 в единицы индукции магнитного поля. Данные представить в виде таблицы.

2. Для каждой пары значений , по п. 6 рассчитать эффективный магнитный момент молекулы ДФПГ: . Найти средне выборочное и доверитель­ный интервал .

3. Используя значение магнетона Бора, рассчитать фак­тор Ланде: . Сделать выводы о природе (спиновой или орбитальной) магнитного момента ДФПГ.

4. Рассчитать энергетическую ширину линии резонансного поглощения. Используя соотношение неопределенности ( ), оценить время жизни молекулы ДФПГ в возбужденном состоянии.

5. Построить, на одном графике зависимости резонансной частоты от индукции поля В катушек для прямого и обратного их включения. Обсудить соответствие полученных результатов теоретическому соотношению ( ). Экстраполяцией прямых до пересечения с осью абсцисс (индукции) определить горизонтальную составляющую индукции магнит­ного поля лаборатории , параллельную оси катушек (значение вследствие возмущающего действия железных масс может заметно отличаться от горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли Вг ~ 0,01 мТл).

6. Оценить влияние горизонтальной составляющей поля лаборатории на систематическую погрешность определения магнитного момента молекулы ДФПГ. Привести скорректи­рованный результат.

_1.

I	0,6	0,55	0,5	0,45	0,4	0,35	A
B	1,11	1,02	0,925	0,83	0,74	0,65	Тл

2:

Полярность на катушках (+ -)

B	1,11	1,02	0,925	0,83	0,74	0,65	10-3Тл
ν	28022	26282	23483	20754	18080	15987	KHz
µ	167,3	171	168	165,2	161,9	162,3	10-21

Полярность на катушках (- +)

B	1,11	1,02	0,925	0,83	0,74	0,65	10-3Тл
ν	32490	30552	27854	24697	21982	19952	KHz
µ	193,9	199	200	196	196,8	197,3	10-21

+ -

средне выборочное = 166,8·10^-21

доверитель­ный интервал = 34·10^-24

- +

средне выборочное = 197,2·10^-21

доверитель­ный интервал =98·10^-24

3. Фактор Ланде

+ - g=1,799

- + g=2,127

4. Энергетическую ширина

+ - δE=333,5·10^-21

- + δE=394,4·10^-21