几种常用的磁性测量仪器(IV)-2004年

常用磁性测量仪器（IV）（共45页）•磁性信号的测量仪器（IV）磁共振技术关于共振当外界的振动频率与系统的固有振动频率非常接近时，系统的振动振幅增强；当二者的频率相同时，系统的振动振幅将急剧增加，产生所谓的共振吸收。大桥倒塌：18世纪中叶，法国昂热市附近有一座石块混凝土的大桥。有一天，参加阅兵的士兵通过时，这座桥却突然倒塌了。（死亡226人）次声武器：次声波是频率为0.0001～20Hz的声波，人体的固有频率正好在次声波的频率范围内，一旦大功率的次声波作用于人体，就会引起人体强烈的共振，从而造成极大的伤害。市场江恩波动法则：市场的波动率或内在周期性因素，来自市场时间与价位的倍数关系。当市场的内在波动频率与外来市场推动力量的频率产生倍数关系时，市场便会出现共振关系，令市场产生向上或向下的巨大作用。磁共振效应磁共振1狭义磁共振物质的磁矩系统在恒定磁场和交变磁场的共同作用下，当恒定磁场强度与交变磁场频率满足一定关系时，磁矩系统从交变磁场吸收能量。广义磁共振电荷或者磁矩（自旋）在恒定磁场和交变磁场的共同作用下，当恒定磁场强度与交变磁场频率满足一定关系时，电荷或者磁矩系统从交变磁场吸收能量。自然磁共振当外加磁场为零时的磁共振，如果存在（磁性材料）。//磁共振效应磁共振2磁共振的类型电荷共振：chargeresonance回旋共振：CyclotronResonance抗磁共振：（DMR）DiamagneticResonance磁矩（自旋）共振：moment(spin)resonance电子自旋共振电子顺磁共振：（EPR）ElectronParamagneticResonance电子自旋共振：（ESR）ElectronSpinResonance铁磁共振：（FMR）FerroMagneticResonance亚铁磁共振：（FiMR）FerriMagneticResonance反铁磁共振：（AFMR）AntiFerroMagneticResonance核自旋共振核磁共振：（NMR）NuclearMagneticResonanceMössbauer效应：MössbauerEffect介子自旋共振介子自旋共振：（-SR）MuonSpinResonance磁共振相关研究的历史•SternandGerlach(1921/2)：发现电子磁矩的空间量子化•Pauli(1924)：提出核磁矩与电子之间存在超相互作用（Hyperfine）•UhlenbeckandGoudsmidt(1925)：提出电子的自旋及其磁矩特性•BreitandRabi(1931)：计算H原子能级，指出核自旋与电子自旋角动量耦合•Rabi,Zacharias,Millman,Kusch(1938)：第一个NMR实验，测量了原子核磁矩•Zavoisky(1945)：第一个ESR实验CuCl2.2H2O4.76mT@133MHz•Griffiths(1946),Kittel(1947)：第一个铁磁共振FMR实验与理论•Paulis,Kittel(1951)：第一个反铁磁共振AFMR实验与理论•BlochF.,PurcellE.M.,(1946)：第一个固体的NMR实验•ДофманЯ.Г.,DresselbausG.,(1951/3)：回旋共振的理论与实验•MössbauerR.L.,PoundR.V.,(1958/9)：Mössbauer效应（无反冲γ射线共振吸收）磁矩（自旋）共振磁共振3经典解释－Lamor进动L.Larmor,Phil.Mag.,47(1897)503。l：电子轨道旋磁比（磁旋比、磁力比）；s：电子自旋旋磁比（磁旋比、磁力比）；e：电子旋磁比（磁旋比、磁力比）1897年，L.Larmor提出电子在稳恒磁场中受到力矩的作用将产生类似陀螺的进动过程。进动频率L称为Larmor频率。Heffpee,meLf0eef,2LllHem00e0ee,2,2lseeegmmem0dipolemoment旋磁比的定义：peffddtpLH磁矩（自旋）共振磁共振4Lamor进动的持续性磁化强度M在稳恒磁场中的进动过程。HeffM00effLMH0MP阻尼项TD：ddtpL0e2egm0effH例：H＝1kOe，0＝1.761010rad•s－1，f0＝2800MHz，10cmHeffMeffDddtMHTMeffddtMHMLandau－Lifshitz：Gilbert：Bloch：20()()DDDrrMdMdtHTMMHMTMTHM磁矩（自旋）共振磁共振5Landau－Lifshitz－Gilbert方程effdddMdttMMMHM2222220effeffeffeffeffeffeffeffdddtMMdtdMMdtddMMdtdMtdMdtMMMHMMHMMMHMMHMMMMMHMMHMMMMMMHMMH21effeffddtMMMHMMH记住！？磁矩（自旋）共振磁共振6Bloch－Bloembergen方程,2,,,1xyeffxyeffzxxyzyMTMTdMdtdMdtMHMH020201xxyyyxzzdMMMdtTdMMMdtTMMdMdtT0000aaziimhh交变磁化强度m：T1：自旋－晶格弛豫时间；亦称纵向弛豫T2：自旋－自旋弛豫时间。亦称横向弛豫2121112'TTT磁矩（自旋）共振磁共振7量子解释－Zeeman劈裂P.Zeeman,Phil.Mag.,43(1897)226。1896年，P.Zeeman发现磁场中发光光谱线的劈裂现象，证明原子能级精细结构的存在，磁场作用下的能级劈裂称为Zeeman能级劈裂。EB共振发生条件：LBħH=0H=Heff能量（频率）：跃迁选择定则：ESR：ms=±1；mI=0；NMR：ms=0；mI=±1；Mössbauer：I=1；m=0，±1；自旋态集居数：不相等（集居数之差n0）电荷回旋共振磁共振8回旋加速器电荷电量为q，质量为m，在磁场与电场的作用下的运动方程：cyclotron:ceBm非相对论近似：vc,m为电子静态质量me，B//z，0,neijvHjE电子：q＝－e()dmdmqdtdtvPvEvB()eemdmedtvvEvB0000aaziiDEE22222222,,cpppazcc222211ccxxcyyycxzzeviEEmeviEEmeviEm24plasma:pnemplasma，synchrotron，cyclotron参考资料1.《磁共振教程》，张建中、孙存普编，中国科学技术大学出版社，19962.《铁磁性物理》，近角聪信著，葛世慧译，张寿恭校，兰州大学出版社，20023.《穆斯堡尔谱学》，马如璋，徐英庭主编，科学出版社，1996年4.……中、英文的磁共振书籍浩如烟海？磁矩（自旋）共振磁矩（自旋）共振共振机制（电子自旋、核自旋、磁矩）电子自旋共振ESR（外层未满或者共有的）电子自旋能级无交换相互作用的电子的磁矩的Zeeman能级电子顺磁共振EPR（内层未满的顺磁原子）电子自旋能级铁磁共振FMR磁矩有交换相互作用的电子的磁矩的Zeeman能级磁矩的一致进动（uniformmode）反铁磁共振AFMR磁矩（次晶格）核磁共振NMR核自旋基态亚能级核自旋Zeeman能级Mössbauer效应Mössbauer核自旋基态与激发态核自旋磁偶极相互作用自旋共振1磁矩（自旋）共振线形、峰位、峰宽、峰强-5005002Intensity(arb.unit)variableGaussLorentz磁共振吸收谱：峰位峰宽峰强线形一般为Lorentz线形；也有Gauss线形0RB能级自然宽度（由Heisenberg测不准原理决定）；其它过程（相互作用）影响自旋态能级寿命能级跃迁几率（稳恒磁场与交变磁场的相对取向）自旋共振222aabbbVaEPEhg22()20:2cwAGaussyyew0222:4()cAwLorentzyywIntensity(arb.unit)CIntensity(arb.unit)C22()20:2cAGaussyye2ww1w1ln4ww磁矩（自旋）共振磁共振吸收谱的频率范围NMRFMRAFMRESR/EPR自旋共振3Mössbauer0RBelectron:211836proton:2eeppepeBeRNMRNRNNESeRNNeNemmmmgegegmgggm10610710810910101011//10191020Hz28GHz/Tesla43MHz/Tesla1420.4MHz/Tesla磁矩（自旋）共振磁共振吸收谱的饱和问题自旋共振40RB20abPtnne含N个自旋系统，其中具有自旋态的粒子数（集居数）为N，能量为E；具有自旋态的粒子数（集居数）为N，能量为E。集居数的分布服从Boltzmann分布定律：exp(－E/kBT)。22aabbbVaEPEhdEnPEdt集居数之差为n＝N－N，能量之差为E＝E－E。n0为初始（无交变磁场）集居数之差0NNtn推论1：饱和0dEdt推论2：弛豫（relaxation）使得自发的自旋跃迁几率不相等NNPP磁矩（自旋）共振磁场与磁相互作用自旋共振5electrictotalmagneticEEE1.磁场：外界提供的磁场Hext与材料内禀磁场Hin之和。aZeeman能原子核、电子在磁场中的能量b磁超精细相互作用核磁矩受到电子产生的磁场的作用c交换相互作用电子波函数交叠（量子力学效应）d自旋轨道耦合作用电子的相对论性效应2.磁相互作用：a外磁场人为提供的磁场b内磁场超精细磁场、交换相互作用场、退磁场磁各向异性磁场、磁致伸缩有效磁场有效场进动方程共振频率自旋（磁矩）能量自旋共振6electrictotalmagneticEEEtotalnuclearnuclear-electronelectronEEEEnuclearnucleanuclearmagneticerlectricEEEelectronelectroelectronmagnetielectriccnEEEmonopoledipolemagneticnuclear-electrquadrupoleelectricelectriconEEEEdipolemagneticcontactorbitdipoleEEEEZeeman能同质异能移位二级Doppler移位动态同质异能移位核电四极矩有效磁场：effextdemaganisotropicexchanhyperfienegHHHHHH电子自旋共振ESR1电子自旋共振ESR－电子顺磁共振EPR无交换相互作用的电子自旋系统的磁共振现象顺磁离子（原子）：EPR自由（共价）电子：ESR1945年，E.Zavoisky（Завюский,И.К.）首先观测到固体（顺磁盐CuCl2·2H2O）的电子顺磁共振（4.76mT，133MHz）。BLSJSSaSDSSgHIS