книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

в кристалле дифенилпикрилгидразила (этот радикал образует так называемые молекулярные кристаллы) существует сильное обменное взаимодействие между неспаренными электронами соседних моле­ кул. Величина этого обменного взаимодействия оказывается больше, чем расщепление сверхтонкой структуры. Характерное для обмен­ ных явлений усреднение поля по многим молекулам и приводит

кисчезновению сверхтонкой структуры.

Вработе требуется получить сигнал электронного парамагнит­ ного резонанса на кристаллическом дифенилпикрилгидразиле и определить значение g-фактора для электрона. Как известно, связь между магнитным моментом m электрона и его механическим моментом М. выражается через гиромагнитное отношение у с по­ мощью формулы

Если магнитный момент измеряется в магнетонах Бора, а механи­ ческий в единицах Ѣ, то связь выражается через g-фактор:

где s = 1 / 2 — спин электрона. Используя соотношение (3), можно выразить g-фактор через определяемые экспериментально вели­ чины:

g = H(ä0friBB. - (10)

Чисто спиновый характер магнетизма в дифенилпикрилгидразиле (практически отсутствует орбитальный магнетизм) приводит к тому, что парамагнитный резонанс на неспаренных электронах происхо­ дит почти как на свободных частицах. Поэтому g-фактор, получен­ ный из электронного парамагнитного резонанса в дифенилпикрил­ гидразиле, всего на десятые доли процента отличается от g-фактора свободного электрона.

Описание установки. Для наблюдения электронного парамаг­ нитного резонанса необходимы чувствительные электроскопы. В на­ шей работе используется радиоспектроскоп несложной конструкции, обладающий достаточной чувствительностью, чтобы уверенно на­ блюдать электронный парамагнитный резонанс на дифенилпикрил­ гидразиле и в его растворе. Охлаждая образец дифенилпикрил­ гидразила, можно исследовать зависимость ширины линии погло­ щения от температуры и установить характер уширения: спинспиновый или спин-решеточный. Заменив кристаллический образец

дифенилпикрилгидразила образцом, содержащим его слабый рас­ твор в бензоле, можно наблюдать сверхтонкое расщепление линии поглощения.

Для наблюдения электронного парамагнитного резонанса нужно поместить исследуемое вещество в магнитное поле и измерить по­ глощение электромагнитного излучения, частота которого удовлет­ воряет соотношению (3). Поглощение, связанное с электронным парамагнитным резонансом, очень мало. Заметный эффект удается получить, применяя устройства, сосредоточивающие энергию эле­ ктромагнитного поля в объеме образца, например колебательный контур, в катушку которого помещено исследуемое вещество. Наблюдение электронного парамагнитного резонанса состоит в сравнении поглощения в условиях резонанса и при расстройке, когда условие этого резонанса не выполняется. Рассматривать резонанс можно как путем изменения частоты со электромагнитного излучения, так и вариацией внешнего магнитного поля В. Вариа­ ция магнитного поля с экспериментальной точки зрения более целесообразна, так как при этом в измерительной цепи не происхо­ дит никаких изменений и меняются только потери, связанные с электронным парамагнитным резонансом. В то же время вариация частоты электромагнитного излучения вызывает изменение ампли­ туды колебаний в контуре не только вследствие изменения сигнала электронного парамагнитного резонанса, но и по причине изменения резонансных свойств самого колебательного контура. В нашей установке, как и в подавляющем большинстве спектроскопов, для наблюдения электронного парамагнитного резонанса применяется модуляция магнитного поля.

Существует несколько типов экспериментальных установок, с помощью которых можно исследовать электронный парамагнит­ ный резонанс в радиочастотном диапазоне. В данной работе исполь­ зуется радиоспектроскоп, работающий в диапазоне 100-ь200 МГц. Его действие основано на уменьшении добротности контура при появлении резонансных парамагнитных потерь. Схема радиоспектро­ скопа изображена на рис. 284. Основной частью радиоспектроскопа является колебательный контур. Он состоит из катушки индуктив­ ности 1 и плоского конденсатора 3. Контур заключен в латунный посеребренный изнутри контейнер. Ампула 2 с исследуемым образ­ цом вставляется в катушку индуктивности контура.

Основное магнитное поле в образце создается с помощью двух горизонтально расположенных катушек 7, питаемых от сети по­ стоянного тока. Величина тока, проходящего через катушку, регу­ лируется реостатом R и измеряется миллиамперметром. Небольшое модулирующее поле создается при помощи дополнительных кату­ шек 8. Они включены в сеть переменного тока через трансформатор 6. Общая ось катушек 7 и 8 перпендикулярна оси катушки индуктив­ ности контура.

Электромагнитные колебания в контуре возбуждаются генера­ тором радиочастотного диапазона Г4-74. Связь с генератором осу­ ществляется с помощью петли 4. Через полупроводниковый диод 5 (Д2В) контур подключен к вертикальному усилителю осцилло­ графа С1-1. Соединение колебательного контура с генератором и осциллографом выполнено коаксиальным кабелем.

Рис. 284. Схема радиоспектроскопа для изучения электрон­ ного парамагнитного резонанса.'

Величина постоянного магнитного поля В, резонансная частота колебательного контура и частота генератора со выбираются так, чтобы они были близки к значениям, удовлетворяющим усло­ вию (3). Небольшое переменное магнитное поле катушек 8 модули­ рует основное магнитное поле и два раза за каждый период заста­ вляет его проходить через точное резонансное значение В0 (при дан­ ной частоте и0).

При наступлении электронного парамагнитного резонанса по­ глощение энергии в образце увеличивается, добротность колебатель­ ного контура падает, и амплитуда колебаний в контуре умень­

шается. В зависимости от полярности диода пик сигнала электрон­ ного парамагнитного резонанса на экране осциллографа обращен вверх или вниз от горизонтальной линии развертки.

Если оснозное поле В точно подобрано, то на экране осцилло­ графа с временной разверткой сигналы электронного парамагнит­ ного резонанса располагаются через равные промежутки, как это изображено на рис285.

Удобно наблюдать сигнал электронного парамагнитного резо­ нанса, подавая на горизонтальную развертку усилителя сигнал с модулирующих катушек. При развертке луча осциллографа на­ пряжением модулирующих катушек на экране осцил­ лографа видны две кривые сигнала электронного пара­ магнитного резонанса —

рис. 286. Наличие двух сигналов (а не одного) объясняется сдвигом фаз между напряжением и током модулирующих катушек. Сигналы можно совместить при помощи фазовращателя, включенного на входе горизонтальной развертки осциллографа.

Измерения. 1. П о л у ч е н и е с и г н а л а э л е к т р о н ­ н о г о п а р а м а г н и т н о г о р е з о н а н с а н а с в о б о д ­ н о м р а д и к а л е д и ф е н и л п и к р и л г и д р а з и л а и и з м е р е н и е g - ф а к т о р а д л я э л е к т р о н а . Поме­ стите ампулу с исследуемым веществом внутрь катушки индуктив­ ности контура радиоспектроскопа. Включите питание генератора, осциллографа, лампового милливольтметра. Установите ручку вертикального аттенюатора осциллографа в положение 1 : 1 0 0 . Установите ручку «Установка уровня выхода» генератора в левое положение, тумблер «Генератор в. ч.» — в положение «Вкл.», а пе­ реключатель выхода — в положение «1,5 В».

546 VII. ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Вместо ампулы с дифенилпикрилгидразилом поместите внутрь ка­ тушки контура ампулу с раствором дифенилпикрилгидразила в бензоле. Наблюдайте сверхтонкое расщепление линии. На хорошо отлаженной установке вместо одной линии можно видеть пять ли­

с т р у к т у р ы п р и п о м о щ и э л е к т р о н н о г о с п е к ­ т р о м е т р а ЭПА-2А. Ознакомьтесь с заводским описанием уста­ новки ЭПА-2А. Приступать к экспериментальной работе разре­ шается только после беседы с преподавателем.

Получите сигнал электронного парамагнитного резонанса на дифенилпикрилгидразиле и на его растворе в бензоле. Наблюдайте, как изменяется разрешение линий сверхтонкого расщепления по мере уменьшения концентрации дифенилпикрилгидразила в рас­ творе. Получите сигнал электронного парамагнитного резонанса на образце кальцита с примесью марганца. Наблюдайте тонкую структуру спектра Мп+2 (пять линий) и сверхтонкую структуру

Принадлежности: установки для исследования зависимости электропроводно­ сти полупроводников от температуры потенциометрическим, мостовым и бес­ контактным методами. -

При объединении атомов в кристаллическое тело структура энергетических уровней электронов претерпевает важные измене­ ния. Эти изменения почти не затрагивают наиболее глубоких уров­ ней, образующих внутренние, заполненные оболочки. Зато наруж­ ные уровни коренным образом перестраиваются. Указанное разли­ чие связано с разным пространственным распределением электро­ нов, находящихся на глубоко лежащих и на верхних энергетиче­ ских уровнях. Атомы в кристалле тесно «прижаты» друг к другу. Волновые функции наружных электронов в существенной мере перекрываются, что приводит к обобществлению этих электронов — они теперь принадлежат не отдельным атомам, а всему кристаллу. В то же время волновые функции внутренних электронов друг с дру­ гом практически не перекрываются. Положение этих уровней в кри­ сталле мало отличается от их положения у изолированных атомов.

Втвердом теле электрические силы нецентральны, и говорить

омоменте количества движения не приходится. Основной особен­ ностью электрического поля в кристаллах является его периодич­

ность. Квантовые состояния электронов различаются импульсом (или, точнее говоря, квазиимпульсом *), а значит, направлением и скоростью движения.

Электропроводность кристаллов определяется распределением электронов по уровням. В изоляторах электроны доверху запол­ няют последнюю из занятых зон (так называемую валентную зону). Следующая разрешенная зона (зона проводимости) не содержит электронов. Ширина запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости, велика, так что электроны в обычных условиях не могут ее «перепрыгнуть». В силу симметрии кристалла количество электронов, находящихся в валентной зоне и движу­ щихся в противоположные стороны, одинаково — электрический ток отсутствует. В присутствии поля ни один из электронов не мо­ жет изменить своего движения (например, сменить импульс «по полю» на импульс «против поля»), так как нет свободных энергети­ ческих состояний в зоне.

В металлах электроны лишь частично заполняют последнюю из занимаемых зон, и в ней имеются свободные состояния. В присутст­ вии поля электроны зоны могут занимать эти состояния, что равно­ сильно получению электронами импульса «против поля», и кристалл проводит ток.

К полупроводникам относятся вещества, которые при низких температурах являются изоляторами. Они отличаются от обычных изоляторов небольшой шириной запрещенной зоны. Уже при нор­ мальных температурах тепловое движение перебрасывает часть электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом эле­ ктропроводность возникает как в зоне проводимости, так и в валент­ ной зоне. В зоне проводимости она определяется присутствующими там электронами (электронная проводимость). В валентной зоне проводимость становится возможной из-за появления свободных состояний, часть из которых (соответствующих нужному направле­ нию тока) может быть занята электронами зоны (дырочная прово­ димость).

Величина электропроводности в полупроводниках определяется числом электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне (эти числа в чистых полупроводниках, конечно, равны друг другу).

*) В центральных полях движение является вращательным и периодически изменяется угловая координата электрона. Если принять угол за обобщенную ко­ ординату, то роль обобщенного импульса играет момент количества движения. Этот момент сохраняется и квантуется. В кристалле периодически изменяется координата, а обобщенным импульсом является импульс, сохраняющийся и кван­ тующийся. Квазиимпульсом называется часть импульса, остающаяся после вычитания целого числа обратных длин 2л/а, где а — постоянная решетки.