核磁共振波谱法

• 例：外磁场 B0=4.69T （特斯拉，法定计量单位） • 1H 的共振频率为
H 0 2.6810 s 4.69 2 2 3.14
8 1 1
2.001510 s 200.15 MHz
8
1
(1s 1Hz)
1

放在外磁场 B0=2.35T =100MHz
13C 19F ,31P 6 9 15 。
（3）I为整数即质量数为偶数，电荷数为奇数的核，有自旋 现象，研究较少。如14N7。
实践证明,核自旋与核的质量数,质 子数和中子数有关
质量数为 原子序数 自旋量子 偶数 为偶数 数为0
质量数为 原子序数 自旋量子 偶数 为奇数 数为1,2,3 自旋量子 原子序数 质量数为 数为 为奇或偶 1/2,3/2,5/ 奇数 数 2 无自旋
12C ,32S 6 1 16O , 6 8
有自旋
14N 7
有自旋
1H , 13C 1 6 19F ,31P 9 1 5
2、核磁矩u
原子核具有质量并带正 电荷，大多数核有自旋现象， 在自旋时产生磁矩，磁矩的 方向可用右手定则确定，核磁 矩和核自旋角动量P都是矢 量，方向相互平行，且磁矩随 角动量的增加成正比地增加 =P
—磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，对某
元素是定值。是磁性核的一个特征常数。 P为普朗克常数。
• 例：H原子H=2.68×108T-1· S-1(特[斯拉]-1 · 秒-1) C13核的C =6.73×107 T-1· S-1
核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量
子数 I 的关系如下:
• (2)对自旋量子数I=1/2的不同核来说，若同时 放入一固定磁场中，共振频率取决于核本身磁 矩的大小, 大的核，发生共振所需的照射频率 也大；反之，则小。例：13C的共振频率为:
c 0 6.73107 1s 1 4.69 2 2 3.14
5.026107 s 1 50.26MHz H 0 2.68 108 1 s 1 4.69 2 2 3.14 2.0015 108 s 1 200.15 MHz
三、自旋驰豫
(一)核自旋能级分布
• 1H核在磁场作用下,被分裂为m=+1/2和m=-1/2 两个能级,处在低能态核和处于高能态核的分布 服从波尔兹曼分布定律
I=1/2的核自旋能级裂分与H0的关系
级E1向高能级E2跃迁,所需能量为 △E=E2－E1= H0 －(－H0) = 2 H0 • △E与核磁矩及外磁场强度成正比, H0越大,能 级分裂越大, △E越大
H0外加磁场
无磁场 m= -1/2 E2= H0 △E=2 H0 m= +1/2 E1= －H0
h p 2

I ( I 1)
1 3 I可以为 0， ， 1， ， 2 等值 2 2
代入上式得:
h 2
I ( I 1)
（ = P）

当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象
二、原子核的自旋能级和共振吸收
(一)核自旋能级分裂 • 把自旋核放在场强为H0的磁场中,由于磁矩 与磁场相互作用,核磁矩相对外加磁场有 不同的取向,共有2I+1个,各取向可用磁量子 数m表示 • m=I, I-1, I-2, ……-I • 每种取向各对应一定能量状态 • I=1/2的氢核只有两种取向 • I=1的核在H0中有三种取向
第十四章 核磁共振波谱法
将磁性原子核放入强磁场后，用适 宜频率的电磁波照射，它们会吸收能量， 发生原子核能级跃迁，同时产生核磁共 振信号，得到核磁共振。 利用核磁共振光谱进行结构测定，定 性与定量分析的方法称为核磁共振波谱 法。简称 NMR。 在有机化合物中，经常研究的是1H 和13C的共振吸收谱，重点介绍H核共 振的原理及应用。
h m 2
I=1/2 的核发生核磁共振吸收射频 的频率，即共振频率。
0 2B0 1 h 代入 得 2 2 2 h
产生核磁共振光谱的条件
• （ 1 ）对自旋量子数 I=1/2 的同一核来说 , ， 因磁矩为一定值， —为常数，所以发生 共振时，照射频率的大小取决于外磁场 强度的大小。外磁场强度增加时，为使 核发生共振，照射频率也相应增加；反 之，则减小。
z
z
z
B0
m = +1/2
m =+1 m =
m = m = m = m = 1
m = 1/2
m = 1
m = 2 I=2
I = 1/2
I=1
I=1/2的氢核
与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －H0 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=H0
(二)原子核的共振吸收
• 如果以一定频率的电磁波照射处于磁场 B0中的 核，且射频频率恰好满足下列关系时： • h =ΔE ΔE=2 B0 2 0 （核磁共振条件式） h 自旋核的跃迁能量
磁性核

h =ΔE
高能级 低能级
处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高 能态，这种现象叫做核磁共振现象。
• • • • •
第一节 核磁共振波谱法的原理 第二节 核磁共振仪 第三节 化学位移 第四节 偶合常数 第五节 核磁共振氢谱的解析
第一节 核磁共振波谱法的原理
一、原子核的自旋
1、自旋分类： （1）I=0即质量数与电荷数都为偶数的核，不产生核磁共振 信号，如12C6,32S16,16O8 。 （2）I为半整数即质量数为奇数，电荷数可为奇数或偶数的 核，核磁矩不为0，其中I=0.5的核是目前研究的主要对象。 如1H1,
• Pz为自旋角动量在Z轴上的分量
h PZ m 2
• 核磁矩在磁场方向上的分量
h Z m 2
• 核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能 E, 即各能级的能量为 E 1/2= －H0 E=－ZH0 E-1/2= H0
• 由式 E = －ZH0及图可知1H核在磁场 中,由低能