전자 스핀 공명 실험 결과 보고서

소개글

전자 스핀 공명 실험 결과 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적
2. 실험방법
3. 실험원리 및 분석
가. Zeeman효과
나. 에너지양자화
다. 양자수, 공명
라. Lande g-factor
4. 실험 결과
가. 헬름홀즈 코일내의 자기장의 크기 계산 및 반치폭 측정
나. DPPH의 물리적 성질과 구조 및 가해지는 자기장과 전기장의 역할
다. 스핀의 존재와 공명의 조건
5. 검토 및 토의

본문내용

한다.
원자핵의 약한 상호 작용이나 페르미 상호작용 같은 선형적으로 변화하는 자기장일 때 즉
여기서, 는 측정상황에 따라 특정 값을 가지고 f는 기구장치의 146MHz로 미리 결정되어 져 있으므로 자기장를 공명조건을 만족하게 변화시켜야 한다.
W=250 turns, 전류 I, 반경 R=0.054m 인 Helmholtz arrangement의 자기장에 대해 코일 사 이 대칭축 상의 자기장은
이고, 여기서
이고, 상수값을 대입하면
를 얻을 수 있고, g-factor에 대해 계산하면
; in tesla
또는
; in amperes
의 값을 얻는다.
공명전류가 1.245A로 측정 되었을 때 이에 해당하는 g-factor는 2.02, 반치폭 이다.
(DPPH에 대한 문헌에 나타난 값은 , 반치폭은 )
4) 실험 결과
1) 헬름홀즈 코일내의 자기장의 크기 계산 및 반치폭 측정
공명전류 [A]
; in amperes 이므로
또한 ; in tesla 이므로
<오차>
이론값: g=2.0037, 반치 폭은
실험값: g=2.045, 반치 폭은
2) DPPH의 물리적 성질과 구조 및 가해지는 자기장과 전기장의 역할
분자식 -
정자기장 내부에서 DPPH 시료의 spin들은 특성 EPR frequency의 rf를 흡수하여 z방향의 총 자화크기가 변화한다. 분리된 에너지 준위의 수는 전자의 스핀 S = ½ 이므로 2 개가 되며, 인접한 에너지 준위사이의 에너지 간격은 △E = ħH 가 된다. 전기장은 에너지 준위 사이의 전이에 필요한 에너지를 공급해 준다.
3) 스핀의 존재와 공명의 조건
①전자스핀공명이란?
전자스핀 공명이란 스핀으로 인한 에너지 준위 차이에서 전자가 광자를 흡수해 전이되는 현상을 가리킨다.
이 에너지 차이는 광자의 방출 또는 흡수를 통해 전이될 수 있다. 높은 에너지 준위를 가진 전자의 경우, 광자를 방출하면서 낮은 에너지 준위로 가게 되며, 낮은 에너지 준위를 가진 전자는 광자를 흡수하면서 높은 에너지 준위로 갈 수 있다. 이 현상을 가리켜 전자스핀공명이라고 한다.
②스핀
양자 역학에서 말하는 스핀(spin)은 입자의 고유한 성질로, 각운동량의 단위를 갖는다. 그러나 입자의 스핀은 마치 거시적인 실험 결과에서 마치 구체의 자전(spin) 같은 현상을 보일 뿐이지 미시적으로는 입자가 고전적으로 어떤 축을 중심으로 회전함을 의미하진 않는다.
드 하스 아인슈타인 실험에서 외부 자기장으로 스핀을 정렬시키자 전체 각운동량의 보존 때문에 시스템이 회전하는 현상이 보고되었다.
닐스 보어의 수소원자이론을 통해 원자의 스펙트럼선에 대해 밝히게 되었으나 알칼리원소의 2중 스펙트럼과 이상 제만 효과에 대한 설명이 불가능했다. 이는 G.E.윌렌베크와 S.A.고우트스미트가 입자의 스핀 운동으로 설명하기에 이르렀다.
흔히 공간의 양자화로 부르는 양자화된 입자의 스핀의 양은 슈테른-게를라흐 실험(Stern-Gerlach experiment)으로 밝혀낼 수 있게 되었으며, 비균일 자기장에 대해 불연속적인 반응을 주는 내부 인자를 가리킨다.
슈테른-게를라흐 실험
1. 자기장 내에서 전자와 원자 또는 원자구성 입자들의 공간적인 방향이 양자화되었다는 것을 증명한 실험.
2. 엇갈린 결과 예측.
고전적인 예측 : 판 위의 자취는 은 원자들의 여러가지 다양한 휘어짐에 해당하는 연속적인 모든 방향으로 퍼짐.
실험 결과 : 단지 두개의 갈라짐(2s+1)만 관측 됨.
이것은 은 원자의 최외각 전자가 s state(l=0, 궤도각운동량=0)임에도 불구하고 일어났다.
-> 전자의 궤도 운동 말고 원자의 자기 모멘트에 영향을 미치는 것이 존재하며, 이 모멘트는 공간 양자화 된다는 결론이 도출됨.
3. 그 후의 해석.
1925년 대학원생이던 Goudsmit와 Uhlenbeck이 이 요상한 미지의 모멘트는 전자의 스핀 운동에 기인한다고 주장. 그러니까 아귀가 맞아 떨어졌고 이를 통해 비정상 제만 효과까지 설명 할 수 있었다.
③공명의 조건
1. 자기공명이란?
자기모멘트를 가진 입자의 에너지준위가 정자기장 속에서 분리되어 있을 때, 그 입자는 라머세차운동을 한다. 이 운동의 진동수에 의한 진동자기장 또는 전자기파와의 사이에 생기는 공명현상이다. 이 현상을 이용하여 원자의 자기모멘트의 크기를 정확하게 알 수 있으며, 자기모멘트를 알고 있는 원자핵을 이용해 물질의 미시적인 성질을 파악할 수 있다.
정자기장 H하에서 자기모멘트를 지닌 원자핵 또는 전자는 자기장의 방향을 축으로 하여 주파수 υ로 회전운동을 시작한다(라머세차운동). υ를 라머주파수라 하는데, υ와 H 사이에는 2πu=H(는 磁氣回轉比, 즉물질의 자기모멘트에 의해 정해지는 상수)라는 관계식이 성립한다. 이 식을 자기공명의 조건식이라 한다. 이 식에 따라 라머세차운동을 하는 입자에 자기장 H의 방향과 직각인 방향으로 같은 주파수 υ의 고주파자기장 h를 걸면, 입자는 이 고주파자기장의 에너지를 흡수하여 공명흡수를 일으키는데, 이것이 자기공명이다.
이 현상을 이용하면 각종 원자핵의 자기모멘트의 크기를 정밀히 측정할 수 있다. 또 자기모멘트의 크기를 알고 있는 원자핵을 써서 고체·액체·기체에 대해 자기공명을 관측하면 이들 물질 내부의 미시적인 성질을 정밀하게 알 수 있다(전자의 자기공명을 이용했을 경우에도 마찬가지이다).
자기공명은 스핀의 자기모멘트에 의한 스핀공명이 주가 되고, 전자스핀공명에는 상자성(常磁性)공명·강자성공명·반(反)강자성공명·페리자성공명 등이 있다. 핵스핀공명은 핵자기공명(核磁氣共鳴)이라고도 한다. 분자빔[分子線]·원자빔[原子線]을 써서 실험하는 분자빔자기공명·원자빔자기공명도 있다.
2. 공명 조건
공명현상을 일으키기 위한 외력에서 주어지는 에너지가 빛(전자기파포함)이나 운동에너지나 전압 등 모든 것은 에너지이고 이 에너지에 해당자유도에 알맞은 고유진동수로 공명되면 에너지는 흡수된다. 공명현상의 성질 중에 같은 공진주파수로 공진하는 물체는 쉽게 에너지 전달이 이루어지는데 예로 진동하는 소리굽쇠 옆에 다른 소리굽쇠를 가져가면 같은 주파수로 진도하기 시작함을 확인할 수 있다.
공명점을 잡는 방법 중 많이 실험하는 것으로 기주공명이 있다.

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