Saturday, May 23, 2015

spin quantum number 电子光谱吸收可见光的能量,电子自旋吸收的是电磁场的能量 虽然都属于电磁场 ,但是不同的 波段有不同的称谓

[5]虞忠衡  2013-9-6 11:25

我当初确实没仔细看博文。电子自旋跃迁应该是esr.
不同的光谱吸收不同场的能量。电子光谱吸收可见光的能量,电子自旋吸收的是电磁场的能量 虽然都属于电磁场 ,但是不同的 波段有不同的称谓

 [PDF]电子核双共振 - 生物化学与生物物理进展
www.pibb.ac.cn/pibben/ch/reader/create_pdf.aspx?file...
轉為繁體網頁
由 关o 著作
电子核双共振(END0R)在生物学中的应用. (中国科学技术大学研究生院). 电子自旋共振(ESR) 研究在磁场作用下. 电子自旋能级之间的跃迁。 核磁共振(NMR)研.


[PDF]釋說新語之二十四儀性與奇偶性
sci.ncu.edu.tw/wp-content/uploads/s24.pdf
釋說新語之二十四. 儀性與奇偶性. 劉源俊. 基本粒子有兩個重要性質是古典物理裡找不到相應性質的,那就是spin 與 parity。這兩個詞的翻譯煞費思量。 先說spin。

釋說新語之二十四 儀性與奇偶性
劉源俊
基本粒子有兩個重要性質是古典物理裡找不到相應性質的,那就是spin與parity。這兩個詞的翻譯煞費思量。
先說spin。這詞一般依照字面意思譯為「自旋」,但其實它與旋轉一點也沒有關係。以電子為例,它在磁場中會呈現兩互相獨立狀態之一,一者其磁矩與磁場同向,一者其磁矩與磁場反向,前者的能量較低。若無磁場,則其狀態是兩態的兼態。用量子物理裡的術語說,是:電子的spin quantum number 為 ½,其沿著磁場方向的角動量分量為 ½或﹣½。
換言之,電子遇磁場時,其取向截然二分。這一性質用spin來描述實是一不幸。中文如何寫才好呢?我想到古書上所說的『太極生兩儀,兩儀生四象,四象生八卦。』「象」與「卦」因與四和八扯上關係,已被借用來翻譯「象限」(quadrants)與「卦限」(octants);準此,何不利用「儀」與二的關係來翻譯spin呢?於是說:電子有「兩儀性」,其「儀數」(spin)為 ½;電子在磁場裡有兩種「儀態」,一為「上儀」(spin up),一為「下儀」(spin down)。Spinor自然譯為「儀量」。
此說還可推廣:質子、中子等「重子」(baryons)與緲子、中微子等「輕子」(leptons)的儀數也是 ½;夸克的儀數也是½;但π介子在磁場裡只有一種狀態,儀數則是0;氘核12D有「三儀性」,它在磁場裡可有三種狀態,儀數是1。狀態數與儀數s的關係是2s+1。惟光子例外,其儀數雖為1,但因以光速進行,只呈兩種狀態(沿著進行方向的角動量分量或為,或為 ﹣)。
質子與中子的質量相近,可視為同一類粒子─核子(nucleon)的兩種狀態。於是又可定義「同類儀」(isospin):核子的同類儀數為 ½,π介子的同類儀數為1,…。此詞一般譯為「同位旋」,實是大謬不然。
再談parity。一系統的parity,指的是其「運態幅」(state amplitude)在空間座標倒置變換下變號或不變號的性質。如果交互作用具左右對稱性,則系統的運態必然或為「奇性」(odd parity,例如π介子本身),或為「偶性」(even parity,例如氫原子基態)。此一性質最恰當的稱呼當是「奇偶性」,亦屬「對立詞」。
1956年,華裔物理學家李政道與楊振寧提出:在弱作用中,奇偶性可能不守恆(奇性態可能變為偶性態,偶性態可能變為奇性態),若如此則微小世界裡會有左右不對稱(「宇不稱」)的現象。經吳健雄等人的及時實驗證實,他們獲得了1957年的諾貝爾獎。一般將奇偶性譯為「宇稱」,不恰當,應予更正。


釋說新語
http://sci.ncu.edu.tw/home/reinterpret_index
釋說新語
東吳大學劉源俊及任慶運教授著


source: http://sci.ncu.edu.tw/wp-content/uploads/s8.pdf

釋說新語之八
「物理」探原
劉源俊

「物理」一詞現今作為西文 Physics 一詞的譯名。但中文裡「物理」一詞是歷經一些演變的,西文 physics 的意義也是經過演變的,用物理來譯 physics 也是經過一番演變的。分別說明如次:

中文「物」與「理」合在一起講,最早應該是在《莊子》。《莊子‧知北遊》篇提到『聖人者,原天地之美而達萬物之理。』《莊子‧秋水》篇提到『道…,是所以語大義之方,論萬物之理。』《莊子‧天下》篇又提到『判天地之美,析萬物之理,…,寡能備於天地之美,…。』莊周顯然不贊許分析法,而以「道」論理。

到晉朝,楊泉有《物理論》一書(~208),可能是「物理」一詞的最早出處。該書為道家論自然之作,主張水為天地之本,且水、氣可互相轉化;今日視之,自不足為訓。《晉書‧明帝紀》(晉明帝,323-326)有『帝聰明有機斷,尤精物理。』一語;這裡所提「物理」,與近人于右任所作聯語『高懷見物理,和氣得天真。』裡的「物理」類似,只有普通意涵。

到宋朝,朱熹(1130-1200)有「欲致吾之知,在即物而窮其理也。」之語,此「即物窮理」(接近物而探究其理)一語之由來,有近代科學精神的一點影子。明朝方以智(1611-1671)受西學影響,著《物理小識》一書,有言:
『考測天地之家,象數、律曆、音聲、醫藥之說,皆質之通也,皆物理 (natural science) 也。
專言治教則宰理 (social science) 也。專言通幾,則所以為物之至理 (philosophy)也。』此處之「物」,泛指萬;物。他重視「質測」(即觀察測量)。王夫之(1619-1692)亦有言:『蓋格物者,即物以窮理,唯質測為得之。』

在西方, physics 最早是亞理斯多得作品集的一篇名,蓋言「萬物之理」,泛指「自然哲學」(natural philosophy)。牛頓 1687 年的名著名為《自然哲學的算學原理》;在十七世紀時,今稱為物理學家的人是以「自然哲學家」自居的。在基督教教義中,physical 與 spiritual 本是相對的詞,所以 physics 之學包含了無生物與生物 例如醫生就名為 physician 到如今 physical education 還是指「體育」。Physiology 本有兩義,一與 natural philosophy 同義,一指「生理學」。其後,則 physics 的涵義逐漸窄化。到了十八世紀,該詞已排除生物學 (biology),只涉及無生物之理,Physiology 亦同時窄化為只指「生理學」。然後,化學 (chemistry) 又從其中排了出去,於是十九世紀的 physics 大體涵蓋力學、熱學、光學與電磁學。1840 年後, Whewell 提倡以新詞 physicist(物理學家)描述研究力與物質的這群人。

中國清末提倡西學,先賢於是將 science 譯為「格致」或「格致之學」。後來各級學堂多在格致科下設「物理學目」。換言之,當時已將 physics 譯為「物理學」。其後有人將 physics 譯為「物理」,有人沿襲日本譯為「物理學」,並不一致。今臺灣與大陸通常都用「物理學」之名,但我贊成李怡嚴的主張:在中文裡,「理」即「成理之學」之意,所以用「物理」即可,不必贅言「學」。

綜上所述,可知中國「物理」一詞詞義的演變與西洋 physics 一詞若合符節。

至於 Physical science ,則是現代新詞,用來涵蓋物理與化學兩科,通常用在中學課程裡。當譯為「物質科學」;有譯為「物理科學」的,是硬譯,沒真懂它的意涵。


=========================================================
一些上文作者譯的量子力學名詞

source:
http://sci.ncu.edu.tw/wp-content/uploads/s13.pdf
http://sci.ncu.edu.tw/wp-content/uploads/s19.pdf
http://sci.ncu.edu.tw/wp-content/uploads/s24.pdf


機運幅 probability amplitudes
運態幅 state amplitude
複數矢量宇 complex vector space
希爾伯特宇 Hilbert space

機演繪景 Heisenberg picture
運演繪景 Schrödinger picture

matrix mechanics approach 機演門
wave mechanics approach 運演門
path-integral approach 諸徑俱攝門

隨緣現相 reduction of wave packet
兼合各態 be a linear combination of states

non-lacality 越地性
locality 局地性
entanglement 糾纏
non-separability 不可分隔性

vacuum fluctuation 空自出沒



電子自旋共振[编辑]

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
電子順磁共振electron paramagnetic resonance,EPR),又称電子自旋共振electron spin resonance,ESR),是屬於自旋1/2粒子的電子靜磁場下发生的磁共振現象。因为類似靜磁場下自旋1/2原子核核磁共振的現象,又因利用到電子的順磁性,故曾稱作“電子順磁共振”。
由於分子中的電子多數是成對存在,根據泡利不相容原理,每个電子对中的两个电子必為一個自旋向上,另一個自旋向下,所以磁性互相抵消。因此只有拥有不成對電子存在的粒子(例如過渡元素重金屬原子自由基),才能表現磁共振。
雖然电子自旋共振的原理与核磁共振的类似,但由於電子的質量遠輕於原子核的质量,所以电子有较大的磁矩。以原子核(質子)為例,電子磁矩強度是其659.59倍。因此對於電子,磁共振所在的拉莫頻率通常需要透過減弱主磁場強度來使之降低。但即使如此,拉莫頻率通常所在波段仍比核磁共振拉莫頻率所在的射頻範圍還要高(通常是在微波的波段),因此有穿透力以及對帶有分子的樣品有加熱可能的潛在問題,在進行人體造影時則需要改變方法。舉例而言,0.3T的主磁場下,電子共振頻率發生在8.41GHz,而對於常用的核磁共振核種——質子而言,在這樣強度的磁場下,其共振頻率仅為12.77MHz


应用[编辑]

EPR應用在多個領域,其中包括:
一般而言,自由基在化學上是具有高度反應力,而在正常生物環境中並不會以高濃度出現。若採用特別設計的不反應自由基分子,將之附著在生物細胞的特定位置,就有可能得到這些所謂“自旋標記”或“自旋探子”分子附近的環境。

理論[编辑]

訊號來源[编辑]

電子的自旋 s= \tfrac{1}{2} 自旋投影量子數可以是  m_\mathrm{s} = + \tfrac{1}{2}  m_\mathrm{s} = - \tfrac{1}{2} 。 在外加磁場強度為  B_\mathrm{0} 時,電子磁矩會順向平行( m_\mathrm{s} = - \tfrac{1}{2} )或反向平行 ( m_\mathrm{s} = + \tfrac{1}{2} ) 於該磁場,兩種情形具有的能量不同(見塞曼效應),與磁場同向的電子能階較低。 兩個能階的能量相差 \Delta E = g_\mathrm{e} \mu_\mathrm{B} B_\mathrm{0}  g_\mathrm{e} 為電子的“g因子”(朗德g因子)、 \mu_\mathrm{B} 波耳磁元。這個方程式顯示兩能階的差值與磁場強度呈正比,如下圖。
電子能階分裂
未成對的電子可以在吸收或放出電磁波能量  \varepsilon = h \nu 後,在兩能階間移動。吸收到(或放出)的能量必須與轉換能階後能量變化相同,也就是  \varepsilon = \Delta E ,此即共振條件。代入  \varepsilon = h \nu  \Delta E = g_\mathrm{e} \mu_\mathrm{B} B_\mathrm{0} ,我們可以得到電子順磁共振的基礎公式: h \nu = g_\mathrm{e} \mu_\mathrm{B} B_\mathrm{0} 。實驗上,非常多種頻率和磁場的組合都能滿足此公式,但大多量測都是用9,000–10,000 MHz(9–10 GHz)範圍的微波進行,其對應的磁場大約為3500 G(0.35 T)。
理論上,改變照射在樣品上的光子頻率而磁場不變,或者相反,都可以得到電子順磁共振光譜。但實際上通常是固定頻率。樣品暴露在固定頻率的微波中,然後開始增強外加磁場。電子能级相差越來越大,直到能级差值與微波能量相同,如先前的圖所示。此時未成對電子能在兩能级間移動。電子依馬克士威-波茲曼分布而在低能级分布較多,因此整體而言是在淨吸收微波能量。實驗時即是量測此吸收值,轉換得到光譜。




电子自旋共振

电子自旋共振(Electron Spin Resonance,缩写为ESR),又称顺磁共振(Paramagnetic Resonance)是:处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。

ESR已成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子;研究半导体中的杂质和缺陷;离子晶体的结构;金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以,ESR也是一种重要的控物理实验技术。

实验目的:1、学习电子自旋共振的基本原理和实验方法;

          2、观察并研究电子自旋共振现象,测量DPPH中电子的朗德因子g

实验重点:电子自旋共振原理的掌握

实验难点:频率为9370Hz的微波的调节和驻波的调节 

实验原理

原子的磁性来源于原子磁矩,由于原子核的磁矩很小,可以略去不计,所以原子的总磁矩由原子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。在本单元的基础知识中已经谈到,原子的总磁矩μJPJ总角动量之间满足如下关系:

                        μB

               μJ= - g ―― PJ = γPJ,

                         h

式中μB 为玻尔磁子,h为约化普朗克常量,由上式得知,回磁比

                        μB

               γ = - g ――                             9.3.1

                         h

按照量子理论,电子的L-S耦合结果,朗德因子

                        J(J+1)+S(S+1)-L(L+1)

               g = 1+  ―――――――――――            9.3.2

                              2J(J+1)

由此可见,若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献(L=0J=S),则g=2。反之,若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献(S=0J=L),则g=1。若自旋和轨道磁矩两者都有贡献,则g的值介乎12之间。因此,精确测定g的数值便可判断电子运动的影响,从而有助于了解原子的结构。

将原子磁矩不为零的顺磁物质置于外磁场B0中,则原子磁矩与外磁场相互作用能由式(9.0.10)决定,那么,相邻磁能级之间的能量差

               E=γhB0                                 9.3.3

如果垂直于外磁场B0的方向上施加一幅值很小的交变磁场2 B1cosωt,当交变磁场的角频率ω满足共振条件

               hω=E=γhB0                             9.3.4

时,则原子在相邻磁能级之间发生共振跃迁。这种现象称为电子自旋共振,又叫顺磁共振。在顺磁物质中,由于电子受到原子外部电荷的作用,使电子轨道平面发生旋进,电子的轨道角动量量子数L的平均值为0,当作一级近似时,可以认为电子轨道角动量近似为零,因此顺磁物质中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。

9.3.19.3.4两式可解出g因子:

              g=hf0/μBB0    (式中f0为共振频率,h为普朗克常数)

Text Box:  本实验的样品为DPPH(Di-Phehcryl Picryl Hydrazal),化学名称是二苯基苦酸基联氨,其分子结构式为(C6H52N-NC6H2·(NO22,如图9.3.1所示。它的第二个氮原子上存在一个未成对的电子,构成有机自由基,实验观测的就是这灰电子的磁共振现象。

实际上样品是一个含有大量不成对的电子自旋所组成的系统,它们在磁场中只分裂为二个塞曼能级,在热平衡时,分布于各塞曼能级上的粒子数服从波耳兹曼分布,即低能级上的粒子数总比高能级的多一些,因此,即使粒子数因感应辐射由高能级跃迁到低能级的概率和粒因感应吸收由低能级跃迁到高能级的概率相等,但由于低能级的粒子数比高能级的多,也是感应吸收占优势,从而为观测样品的磁共振吸收信号提供可能性。随着高低能级上粒子差数的减少,以致趋于零,则看不到共振现象,即所谓饱和。但实际上共振现象仍可继续发生,这是弛豫过程在起作用,弛豫过程使整个系统有恢复到玻耳兹曼分布的趋势,两种作用的综合效应,使自旋系统达到动态平衡,电子自旋共振现象就能维持下去。

电子自旋共振也有两种弛豫过程,一是电子自旋与晶格交换能量,使得处在高能级的粒子把一部分能量传给晶格,从而返回低能级,这种作用称为自旋-晶格弛豫。由自旋-晶格弛豫时间用T1表征,二是自旋粒子相互之间交换能量,使它们的旋进相位趋于随机分布,这种作用称自旋-自旋弛豫。由自旋-自旋弛豫时间用T2表征。这个效应使共振谱线展宽,T2与谱线的半高宽△ω(见图9.0.5)有如下关系

                             2

                      △ω≈ ―                              9.3.5

                             T2

故测定线宽后便可估算T2的大小。

观察ESR所用的交变磁场的频率由恒定磁场B0的大小决定,因此可在射频段或微波段进行ESR实验。

实验装置

微波ESR谱仪由产生恒定磁场的电磁铁及电源,产生交变磁场的微波源和微波电路,带有待测样品的谐振腔以及ESR信号的检测和显示系统等组成。

1、微波源:由于固态微波源寿命长、使用简单、输出的微波频率较稳定等优点,是最常用的一种微波信号发生器。


 
2、可调的矩形谐振腔。可调的矩形谐振腔结构如图9.3.5所示,它既为样品提供线偏振磁场,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

同时又将样品吸收偏振磁场能量的信息传递出去。谐振腔的末端是可移动的活塞,调节其位置,可以改变谐振腔的长度,腔长可以从带游标的刻度连杆读出。为了保证样品处于微波磁场最强处,在谐振腔宽边正中央开了一条窄槽,通过机械传动装置可以使样品处于谐振腔中的任何位置,样品在谐振腔中的位置可以从窄边上的刻度直接读出。该图还画出了矩形谐振腔谐振时微波磁力线的分布示意图。

3、魔T。魔T的作用是分离信号,并使微波系统组成微波桥路,其结构如图9.3.6所示。按照其接头的工作特性,当微波从任一臂输入时,都进入相邻两臂,而不进入相对臂。

4、配器。单螺调配器是在波导宽边上开窄槽,槽中插入一个深度和位置都可以调节的金属探针,当改变探针穿伸到波导内的深度和位置时,可以改变此臂反射波的幅值和相位,该元件的结构示意图如图9.3.7所示。

 


 
 

 

 

 

 

 

 

 

 


实验内容:

1、按图一所示连接系统,将可变衰减器顺时针旋至最大,开启系统中各仪器的电源,预热20分钟。

2、将旋钮和按钮作如下设置:

“磁场”逆时针调到最低,“扫场”逆时针调到最低。按下“检波”按钮,“扫场”按钮弹起,此时磁共振实验仪处于检波状态(注:切勿同时按下)。

3、将样品位置刻度尺置于90mm处,样品应置于磁场正中央。

4、将单螺调配器的探针逆时针旋至“0”刻度。

5、信号源工作于等幅工作状态,调节可变衰减器使调谐电表有指示,然后将“检波灵敏度”旋钮指示最大控制磁共振实验仪的调谐指示占满度的1/2左右。

6、用波长表测定微波信号的频率,方法是:旋转波长表的测微头,找到电表跌落点,查波长表—刻度表即可确定振荡频率,若振荡频率不在9370MHz,应调节信号源的振荡频率,使其接近9370MHz的振荡频率。测定完频率后,需将波长表刻度旋开谐振点。

7、为使样品谐振腔对微波信号谐振,调节样品谐振腔的可调终端活塞,使调谐电表指示最小,此时,样品谐振腔中的驻波分布如图二所示。

8、为了提高系统的灵敏度,可减小可变衰减器的衰减量,使调谐电表显示尽可能提高。然后,调节魔T另一支臂单螺调配器指针,使调谐电表指示更小。若磁共振仪电表指示太小,可调节灵敏度,使指示增大。

9、按下“扫场”按钮。此时调谐电表指示为扫场电流的相对指示,调节“扫场”旋钮可改变扫场电流。

10、顺时针调节恒磁场电流,当电流达到1.65~1.79A时,示波器上即可出现如图三(b)所示的电子共振信号。


 
 

 

 

 

 

 

 

 

 


11、若共振波形峰值较小,或示波器图形显示欠佳,可采用四种方式调整:

11.1将可变衰减器反时针旋转,减小衰减量,增大微波功率。

11.2正时针调节“扫场”旋钮,加大扫场电流。

11.3提高示波器的灵敏度。

11.4调节微波信号源振荡腔法兰盘上的调节钉,可加大微波辐射功率。

12、若共振波形左右不对称,调节单螺调配器的深度及左右位置,或改变样品在磁场中的位置,通过微调样品谐振腔,使共振波形形成。

13、调节“调相”旋钮即可使双共振峰处于合适的位置。

14、用高斯计测得外磁场B0,用公式

                    hf0

                g=―――

                   μBB0

计算g因子。(g因子一般在1.95-2.05之间)。

15、为了得到腔体的波导波长λg,可移动样品的位置,两信号之间距离即为λg/2

注意事项:1、样品应放在磁场的正中间

          2、调节频率时,应找到陷波点

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

实验数据:

f=9370MHz                 B=0.34T


 

      

 


电子自旋共振实验总结:

   通过做电子自旋共振(或称为顺磁共振)实验,认识到处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场的作用下会发生磁能级间的共振跃迁现象,加深了对原子物理和量子力学相关内容的理解和记忆。掌握了实验仪器的基本结构原理和使用方法,学会了使用该仪器测量DPPH中电子的朗德因子g,学会了利用电子自旋共振测量波导波长,学会了相关的微波器件的使用。

No comments:

Post a Comment