电子自旋共振实验实验装置图

A. 电子自旋共振实验分析

因为电子有1／2的自旋，所以在外加磁场下能级二分。当外加具有与此能量差相等的频率电磁波时，便会引起能级间的跃迁。此现象称为电子自旋共振。缩写为ESR。

B. 求射频段电子自旋共振处理报告

一、实验目的
1、了解电子自旋共振理论。
2、掌握电子自旋共振的实验方法。
3、测定 DPPH 自由基中电子的 g 因子和共振线宽。

二、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μJ与PJ总角动量之间满足如下关系：

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
（1）

按照量子理论，电子的L-S耦合结果，朗德因子

（2）

由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献（L=0，J=S），则g=2。反之，若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献（S=0，J=L），则g=1。若自旋和轨道磁矩两者都有贡献，则g的值介乎1与2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 （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 （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。
由(1)和(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）

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（C6H5）2N-NC6H2·（NO2）2，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有如下关系
2
△ω≈ ― （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。

三、实验仪器

图1 电子顺磁共振仪构成图

图2 电子顺磁共振仪前面板

图3微波系统装配图

1－微波源2－隔离器3－环型器4 －扭波导
5－直波导6—样品 7—短路活塞 8—检波器

四、实验内容
见预习报告。
五【实验数据记录及处理】
1. 测量磁场与励磁电源电压的关系，测量数据关系如下：
表一：测量磁场与励磁电源电压的关系（第一次数据2011/11/07）
U/V
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
B/Gs
3275
3281
3286
3291
3297
3302
3307
3314
3319
3325
3331
3336
U/V
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
B/Gs
3344
3349
3356
3361
3367
3373
3379
3384
3391
3397
3402
3408

表二：测量磁场与励磁电源电压的关系（第二次数据2011-11-14）
U/V
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
B/Gs
3287
3293
3300
3305
3310
3317
3323
3329
3335
3341
3347
3354
U/V
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
B/Gs
3360
3365
3372
3377
3384
3390
3396
3402
3408
3414
3420
3426

分别用Origin线性拟合，得出U-B关系曲线，如图4示：
Linear Regression for DATA2_B:
Y = A + B * X
Par Value Error
----------------------------------------------
A 3261.80261 0.40131
B 29.19348 0.13226
----------------------------------------------
R SD N P
----------------------------------------------
0.99977 0.89704 24 <0.0001
----------------------------------------------

Linear Regression for DATA2_B:
Y = A + B * X
Par Value Error
----------------------------------------------
A 3274.70116 0.19872
B 30.28043 0.06549
----------------------------------------------
R SD N P
----------------------------------------------
0.99995 0.44419 24 <0.0001
----------------------------------------------

图4量磁场与励磁电源电压的关系图
由图1知，U-B关系曲线线性拟合度很好，故实验时可通过测量U得到相应的B值。由图1写出前后两次测量结果的拟合关系：
（1）
（2）
其中（1）式为第一次数据2011-11-07所得，（2）式为第二次数据2011-11-14所得，其中U的单位为V，B的单位为Gs。
分析：（1）、（2）两式结果相差较大的原因主要有以下几点：I：两次测量环境温度、湿度不相同，而温度和湿度会影响样品的电磁性质；II：两次测量样品放置位置及角度不一样；

2. DHHP样品朗德因子gJ的计算。
（1）使用第一次测量数据计算：
示波器设置为16mv；扫描时间为1ms； 微波频率为f=9.360GHz
将示波器波形调至最大及对称，测量得到共振时电压为：
U=2.35V
由式（1）计算得相应共振磁场为：

样品的朗德因子为：

其中波尔磁子 ^()_D_Dd__________ƤϭϨ ，普朗克常数h=6.6260755*10^(-34)J*s,电子电荷e=1.60217733*10^(-19)。
（2）使用第二次测量数据计算：
示波器设置为16mv；扫描时间为1ms； 微波频率为f=9.360GHz
将示波器波形调至最大及对称，测量得到共振时电压为：
U=1.99V
共振时磁场为：

样子的朗德因子为：

取次朗德因子的测量平均值：

两次测量标准偏差为：

相对误差为：

分析：两次测量相对误差很小，测量结果较为准确。可以认为样品的朗德因子的大小与样品的原子结构有关，与外界环境的湿度及温度无关。

3. 计算波导波长
实验测得共振点的位置如下：
表三：测量共振点
L
1
2
3
位置（mm）
7.853
30.205
52.738

波导波长为： ______
4. 计算共振半高宽
调节不同励磁电压，调节相应波形使波形对称等高，测量数据如下表：
表四：测量半共振半高宽
U/V
1.98
2.08
2.18
2.28
2.30
2.32
2.34
2.36
2.38
Δv/mV
12.40
11.80
10.80
8.35
7.70
7.00
6.30
5.20
3.80
U/V
2.40
2.42
2.41
2.40
2.37
2.35
2.33
2.31
2.23
Δv/mV
2.60
1.45
1.80
2.65
4.55
5.60
6.95
7.90
10.05
U/V
2.13
2.03
1.93
1.88
1.83
1.78
1.73
1.68
1.63
Δv/mV
11.35
11.90
12.50
12.60
12.85
12.85
12.35
11.10
7.30
U/V
1.65
1.62
1.61
1.60
1.59
1.58
1.57
1.56
1.54
Δv/mV
9.20
6.20
5.15
4.15
3.00
2.15
1.80
1.25
1.10

用Origin作出U-Δv关系曲线，并进行洛伦兹拟合得到下图：

图5：手动测量共振半高宽洛伦兹拟合曲线

由Origin的洛伦兹拟合曲线的Worksheet找出极点为（1.98746，13.8709），半高点为（1.65028，6.9355）和（2.30068，7.01225），由此可求得半高宽为：

转换成磁场为：

分析：由图2，未拟合前，最大共振频率与测量朗德因子时所得的U=1.99V相差较大；拟合后曲线的共振频率U=1.9875V和在测量朗德因子中的共振频率U=1.99V相近。图中洛伦兹曲线和测量曲线误差较大，误差来源主要为：I.测量时为增补测量点没有按张统一顺序测量；II.测量中调节波形对称时存在不可避免的主观误差；III.随着测量的进行样品的温度升高，从而影响实验的测量。

【思考与讨论】
1. 在微波段电子自旋共振实验中，也需要消除地磁场的影响吗？为什么？
答：不需要。在微波段发生的电子自旋共振的磁场强度B比较强（B3000Gs），查资料得地磁场强度 0.5~0.6Gs，故B ，地磁场对实验的的影响很小，可以忽略，这一点和在射频段发生的电子自旋共振是不同。
2. 扫场信号在电子自旋共振观测中起什么作用？
答：恒定磁场线圈及其电流提供产生能级赛曼分裂的恒定外磁场，扫场线圈及其电源产生可与外磁场叠加的（低频）调制场。扫场信号就是励磁电源产生的磁场，它的输入显示电子自旋共振的磁场强度。
3． 你观察到的ESR信号是什么样子的？影响对称性的因素有哪此？分析哪些因素对你的实验结果影响较大？
答：ESR信号图形如右图所示：其中右侧为李萨如图形。影响对称性的因素有：励磁电压影响横向对称性、短路活塞（即波导长）影响竖向对称性。其中励磁电压对实验结果影响较大。
4． 发生电子自旋共振的磁场有一个范围，观察磁场范围的大小，既然在一定的磁场范围内都可以发生共振，如何比较准确地测量共振磁场？为什么？
答：由图2知发生共振的范围在1.7V~2.3V之间。为准确测量共振磁场，可调整信号幅值达到最大和形状最对称，因为此时的样品在磁场的中心位置（最佳状态），故此时的磁场即为共振的磁场。
5． 改变磁场大小对共振信号有什么影响？分析其原因。
答：改变磁场大小会使得共振信号幅值对横向对称性发生变化，当磁场大小为共振磁场时，磁场往两边变化会引起共振信号的不对称及幅值减小。

C. 电子自旋共振的g值测量

实验装置
微波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1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2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。
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。

D. 电子自旋共振谱仪

ESR谱仪是观测电子自旋共振现象的仪器，它主要由磁铁系统、微波源系统、谐振腔和信号检测系统等部分组成。ESR谱仪的基本结构如图86.15所示。

图86.15 ESR谱仪的基本结构

(1)磁铁系统

一般由电磁铁、磁铁电源和磁场控制器组成。谐振腔内必须提供绝对均匀的磁场，且磁场是稳定和连续可调的。磁场控制器控制磁铁电源的输出电流调节电磁铁的磁场强度，在感兴趣的磁场范围内恒定地扫描磁场强度。

电磁铁是用软磁性材料(纯铁、铁硅合金、铁镍合金等)作为铁芯，在通电的激励线圈作用下产生磁场，其磁场强度的大小可随激励线圈中的电流变化而改变。磁铁电源的作用是把电网的交流电经整流、滤波、稳压和稳流后作为直流电源供给电磁铁。

(2)微波系统

由微波源、波导、衰减器、调配器、隔离器和自动频率控制系统组成。

在ESR谱仪中，常用的微波源是反射速调管或Gunn二极管振荡器。一般速调管的输出功率约为20～500mW，常用的是200mW。波导是用金属制成矩形或圆形的管子，内部光滑并进行镀金，当电磁波频率在3GHz以上时，常用波导管来传输电磁波。衰减器用来衰减输出的微波功率，由于波导管内各处微波电场强弱不同，因而改变衰减片在波导中所处的位置，可得到不同的衰减量。调配器的作用是使波导中传输的微波达到匹配，在微波传输过程中，遇到不均匀或不连续性就要引起传输电磁波的反射，为了克服电磁波传输中已存在的反射，在传输线中人为地加入某个不均匀或不连续因素，使其产生的反射与存在的反射大小相等，相位相反，达到匹配的目的。隔离器是用铁氧体材料制成的微波器件，铁氧体是由铁的氧化物和其他二价金属氧化物混合烧制而成的磁性材料，在使用时对隔离器的要求是正向传输的电磁波衰减越小越好，反射的电磁波衰减越大越好，这样可以降低反射的微波对微波源的影响，使微波源工作稳定。自动频率控制系统控制微波频率不发生变化，它是将振荡器的频率与另一标准频率比较，当发现两者存在偏差时自动控制系统就会自动地减小这种偏差，使震荡的频率始终稳定在标准频率上。

(3)谐振腔

谐振腔是ESR谱仪的核心部件。被测样品置于谐振腔内，谐振腔能把微波能量集中于腔中的样品处，并使其在外磁场作用下产生共振吸收。

谐振腔是由一段两端用金属片封闭的矩形或圆形波导构成，封闭片上开一小孔，微波通过此耦合孔传输。在谐振腔内，电磁波在短路端反射形成驻波，所以谐振腔相当于一个放大器，能在腔内建立高功率密度的微波场。

(4)信号检测系统

检测系统主要部件是检波器，ESR谱仪的检波器大多采用微波晶体二极管，它能把反射出来的微波能量转换成直流，共振吸收就是以检波电流的变化来表现的。由于检波器输出的直流电流非常小，必须经过多级放大。对于直流信号放大而言，信噪比是一个致命的弱点。因此一般的ESR谱仪都装有中频调制系统，常用的调制频率是100kHz，在谐振腔内加装一个100kHz的线圈，在慢速扫描的主磁场上叠加一个中频调制磁场，这样，检波器输出的信号就不再是一个直流而是一个振幅被调制的100kHz中频电流，通过中频放大器放大，就可使信噪比大大提高。

ESR谱仪是高技术产品，目前国内还不能生产。国内许多大学和科研所都引进了ESR谱仪，主要有3种:日本电子公司(JEOL)、德国BRUKER公司和美国VARIAN公司。

E. 电子自旋共振的物理介绍

分子中的电子多数是成对存在，根据泡利不相容原理，每对电子必为一个自旋向上，一个自旋向下，而磁性互相抵消。因此必须有不成对电子的存在，才能表现磁共振，例如过渡元素重金属或者自由基的存在。
因为电子有1/2的自旋，所以在外加磁场下能级二分。当外加具有与此能量差相等的频率电磁波时，便会引起能级间的跃迁。此现象称为电子自旋共振。缩写为ESR。对相伴而产生的电磁波吸收称ESR吸收。产生ESR的条件为νo（MHz）=1.4·g·Ho（高斯）。式中νo为电磁波的频率，Ho为外部磁场强度，g为g因子（g factor）或g值。一个分子中有多数电子，一般说每二个其自旋反相，因此互相抵消，净自旋常为0。但自由基有奇数的电子，存在着不成对的电子（其无与之相消的电子自旋）。也有的分子虽然具有偶数的电子，但二个电子自旋同向，净自旋为一（例如氧分子）。原子和离子也有具有净自旋的，Co2+、Fe3+、和Mn2+等常磁性离子即是。这些原子和分子为ESR研究的对象。由于电子自旋与原子核的自旋相互作用，ESR可具有几条线的结构，将此称为超微结构（hyperfine stru-cture）。g因子及超微结构都有助于了解原子和分子的电子详细状态。也可鉴定自由基。另外，从ESR吸收的强度可进行自由基等的定量。因为电子自旋的缓和依赖于原子及分子的旋转运动，所以通过对ESR的线宽测定，可以了解原子及分子的动的状态。
虽然原理类似于核磁共振 ，但由于电子质量远轻于原子核，而有强度大许多的磁矩。以氢核(质子)为例，电子磁矩强度是质子的659.59倍。因此对于电子，磁共振所在的拉莫频率通常需要透过减弱主磁场强度来使之降低。但即使如此，拉莫频率通常所在波段仍比核磁共振拉莫频率所在的射频范围还要高——微波，因而有穿透力以及对带有水分子的样品有加热可能的潜在问题，在进行人体造影时则需要改变策略。举例而言，0.3 特斯拉的主磁场下，电子共振频率发上在8.41吉赫，而对于常用的核磁共振核种——质子而言，在这样强度的磁场下，其共振频率为12.77 兆赫。

F. 电子自旋共振

电子自旋共振法(electron spin resonance，缩写为 ESR)是20 世纪70 年代后半期发展起来的一种测年方法，在地学和考古的测年上得到广泛的应用。20 世纪 80 年代初这项研究才引入我国，并应用于第四纪年代研究。

含有铝、铁、锰等杂质的有缺陷的石英晶体，在放射线作用下容易形成电离损伤，从而在晶体中形成不配对电子，称顺磁中心(即杂质心)。另外，放射线也会使石英硅氧四面体的一个 Si—O 键断裂，在 Si 键上有一个电子定向自旋，构成另一种顺磁中心即自由电子中心。上述两种顺磁中心在样品中的密度都与其吸收的放射性剂量成正比。如果样品中顺磁中心的数目为零，而且采集样品地点的自然辐射剂量率相对不变，那么样品中顺磁中心的数目将正比于样品的年龄。根据样品及环境中放射性元素的含量及它们衰变时释放的能量我们可以计算出年剂量率(D)，根据 ESR 信号强度相对于人工辐射剂量的变化曲线，也可以推导出样品形成后所接受的总辐照剂量，即等效剂量(ED)。按电子自旋共振法(ESR)测年原理，矿物中积累的电子自旋共振(ESR)信号强度与时间相关。在实验室通过以下简单的公式获得 ESR 年龄:

第四纪地质学与地貌学

式中: A 为年龄(a); ED 样品形成后接受的等效剂量(Gy); D 为每年所接受的剂量(Gy/a)。在实验室中测定年剂量 D 目前已比较成熟。等效剂量是指在所测事件发生以来矿物所累积起来的 ESR 信号。ED 能否测准是获得可靠 ESR 年龄的前提之一。

利用 ESR 信号测定年代，是在一些假设的前提下: ①样品顺磁中心的初始浓度为零;②顺磁中心的增长效率未达到饱和状态; ③顺磁中心的寿命大于样品的年龄一个数量级以上;④样品所在地点的年剂量率相对不变; ⑤样品未经历过重结晶或受到高温的烘烤作用。当只有这些假设条件全部满足时，它所获得的年龄数据才是可靠的。

进行 ESR 测年时用到的样品不要再暴晒或加热烤干。进行 ESR 测年的样品种类较多，其用量也不尽相同(表 14-1)。

表 14-1 适合于 ESR 测年的各种样品

测年对象包括: ①沉积和淀积形成的样品，如碳酸盐类、磷酸岩类(牙齿、动物骨头)、硫酸盐类、硅酸盐类样品; ②受热样品，如火山物质、古代人们烧烤过的材料; ③受压力作用的样品，如断层泥; ④经过太阳照射的样品。测年范围视不同样品和环境剂量率大小而定，一般可以测距今几百年到几百万年时间段的年龄。目前 ESR 测年技术最成功的对象为牙齿和碳酸盐等盐类物质，解决了一系列重要考古地点和地质事件的测年问题。

ESR 与其他测年法相比，有其优点: ①测年范围宽，从几千年到几百万年，几乎覆盖了整个第四纪地质年代; 但主要用于几十万年的范围; ②测定对象广泛，洞穴的碳酸盐沉积物、软体动物贝壳、珊瑚、古脊椎动物和古人类骨骼及牙齿等都可作为测试样品; ③测试条件简单，测试信号受周围环境影响小，而且样品可反复使用; ④是一种非破坏性的分析方法，对样品不存在损伤。

G. 电子自旋共振（ESR）测年方法简介

业渝光

（地质矿产部海洋地质研究所）

ESR是英文电子自旋共振（Electron Spin Resoance）的缩写，是近年出现的测年新技术，发展十分迅速，是一种极有潜力的测年新方法。

1ESR测年及其主要特点

构成物质的分子是由原子组成的，而原子则是由带正电荷的原子核及绕核旋转的电子所组成。电子是一个带负电荷的球体，它在绕核旋转的同时也做自旋运动，这就是所谓的电子自旋现象。电子自旋在电子四周产生一个环形电流，根据法拉第定律，在电子附近形成弱磁场，它相当于一个很小的磁铁。在通常情况下，轨道上成对的电子由于彼此自旋的方向相反，磁矩相互抵消，不显示磁性。但当物质受到本身或周围物质中铀、钍、钾等杂质放射性衰变所造成的电离辐射时，物质内部会产生一些缺陷，同时形成一些游离电子。当这些游离电子被其他杂质和晶格中的缺陷捕获时，就形成捕获电子心，或原来的原子失去电子而形成空穴心。捕获电子或空穴心由于含有未偶电子而带有磁性，物质中未偶电子的浓度与时间成正比增加。在外加的高磁场作用下，物质中未偶电子的浓度用未偶电子对入射的微波吸收效应来探测。被吸收的微波能量正比于自旋的数量，它可以在ESR波谱中显示出来，从而达到测年的目的。

ESR测年的主要特点，首先是测年的年限较长，可以从几千年到几百万年；其次，可测试的样品多，如各种生物化石，海、陆相碳酸盐，海、湖相石膏、火山岩、沉积物中的石英等，远比¹⁴C、铀系、热释光、裂变径迹和氨基酸外消旋等测年方法可供测年的样品种类较多；第三，样品用量少，珍贵的样品只用几百毫克，并可重复测量，样品不受损坏，仍可进行许多项目的理化分析；第四，制样简单，便于批量测试。ESR测年可应用于古海洋学、石油地质学、灾害地质学（断层、滑坡、泥石流）、环境地质学、经济地质学（矿金的成矿年代）、工程地质学和第四纪地质的研究。所研究的样品大致分为两类，一类为碳酸盐；另一类是石英。这两种矿物在自然界中分布十分广泛。

2ESR测年在礁相地质学上的应用

海洋地质研究所自1987年以来开展ESR测年的研究工作，并成功地应用到一些有关的地质科研和生产中去，解决了实际问题。如对南海珊瑚礁各类样品的ESR特性进行了较详细的研究，并与其他一些成熟的测年方法的结果进行了对比，提出了一套实验技术和年龄计算模式，证明了ESR方法是测定珊瑚礁年龄的一个有效手段。在此基础上，我们应用所测试的结果讨论了一些地质问题，西沙石岛风成灰岩的基底原生礁形成于末次间冰期的高海平面期；ESR年龄和铀系及¹⁴C(AMS和稀释技术）年龄一致，表明南海存在全新世珊瑚礁；西沙石岛风成灰岩是末次冰期的产物；为西琛一井的地层化分提供了同位素地质年代的证据，测定的ESR年龄经有孔虫地层学和岩石地层的检验，以及与深海氧同位素地层学的对比，证明是可靠的，孔深143m处的ESR年龄为126万a，是迄今报道的最老的珊瑚礁ESR年龄，预计用ESR方法极有可能得到上新世珊瑚礁形成的可靠年代。这些成果经全国ESR专家教授的评审，认为在国内处于领先地位，达到了国外同类工作的研究水平。

3沉积物中石英的ESR测年

石英是自然界中广泛存在的矿物，但是能用其进行放射性同位素测年的方法还是极少的，然而石英的ESR波谱图却含有丰富的地质信息，用不同的电子或空穴心计算出来的年龄反映了样品在不同的时代经历了不同的热历史。例如，我们用石英的Ge心信号测定的云南东川泥石流堆积物是在晚更新世堆积的，而E′心的信号反映了这些样品在中更新世肯定经受了一次激烈的热运动，而江苏茅山断层泥的样品反映了类似的情况，这是其他放射性同位素测年方法所不能做到的；用山东招远古河床冲积物中的石英进行ESR测年，得到了确切的砂金成矿年代，为深入研究砂金的赋存规律提供了基础资料；山东荣成的柳夼“红层”经ESR测定，证明是末次冰期以来形成的，从而促进了海岸风成砂的研究。此外，通过研究表明，南黄海QC₂孔的沉积物明显由不同来源的沉积物混合组成。这些新的地质信息对各有关学科的研究无疑都起到了促进作用。

ESR测年在国外是近10年发展起来的，在国内也不过5年的历史，较其他测年技术还显得不够完善，甚至存在一些问题，但其发展很快，前景十分广阔。

（中国地质，1992，第3期，28～29页）

H. 哪里可以做电子自旋共振谱 测试

电子抄自旋共振(Electron Spin Resonance，缩写为ESR)，又称袭顺磁共振(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。

I. 核磁共振和电子自旋共振,二者实验装置非常不同,为什么

电子自旋共振虽然原理类似于核磁共振，但由于电子质量远轻于原子核，而有内强度大许多的磁容矩。以氢核(质子)为例，电子磁矩强度是质子的659.59倍。因此对于电子，磁共振所在的拉莫频率通常需要透过减弱主磁场强度来使之降低。但即使如此，拉莫频率通常所在波段仍比核磁共振拉莫频率所在的射频范围还要高——微波，因而有穿透力以及对带有水分子的样品有加热可能的潜在问题，在进行人体造影时则需要改变策略，所以二者实验装置非常不同

J. 电子自旋共振波谱仪给出的图里面，αN，αH等值是怎么算出来的

如果有一束频率为ω的电磁辐射照射自旋核,当ω=ω0时，则自旋核将吸收其辐射能而产生共振，即所谓核磁共振。吸收能量的大小取决于核的多少。这一事实，除为测量 γ提供途径外，也为定量分析提供了根据。