核磁共振波谱和质谱分析
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例：13C和1H的共振频率分别为:
C 50.Biblioteka Baidu6MHz
H 200 .15MHz
四、核自旋能级分布和驰豫
(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。
N
1 2
E
e kT
h
e kT
hB0
e 2kT
利用核磁共振光谱图进行结构预测，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 吸收波谱。
07:47:46
➢ NMR是结构分析的重要工具之一，在化学、生 物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应 用。
➢ 分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破损 分析方法。
07:47:46
与紫外、红外光谱的比较
紫外-可见
红外
核磁共振
吸收 紫外可见光
红外光
无线电波
能量 200 ~ 780nm 780nm ~ 1000m 1 ~ 100m
跃迁 类型 电子能级跃迁
振动能级跃迁
自旋原子核 能级跃迁
吸收一定的能量，原子核能级发生跃迁，同时产 生核磁共振信号，得到核磁共振谱图。
二、原子核的自旋 nuclear spin
（一）原子核的磁性
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（P） 的增加成正比地增加 。
= P ， — 磁旋比（magnetogyric ration）， 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。
➢ I=1 的原子核有三种取向，依次类推，如下图 所示：
z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1
I=2
与外磁场平行，能量较低，m= +1/2, E 1/2= -B0 与外磁场方向相反，能量较高， m= -1/2, E -1/2=B0
I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系
➢由式 E = -ZB0及图可知，1H核在磁场中，由 低能级E1向高能级E2跃迁，所需能量为：
➢ △E = E2－E1= B0 -(-B0) = 2 B0
➢ △E与核磁矩及外磁场强度成正比，B0越大， 能级分裂越大，△E越大。
三、核磁共振 nuclear magnetic resonance
2
代入式（ = P）
h 2
I (I 1)
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。
07:47:46
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 为偶数
原子序数 为偶数
原子序数 为奇数
自旋量子 数为0
自旋量子 数为1,2,3
无自旋
➢ 自旋量子数I=1/2的原子核，核电荷呈球 形均匀分布于核表面，如: 1H1，13C6 ， 19F9 ， 31P15 ， 它 们 核 磁 共 振 现 象 较 简 单 ， 谱线窄，适宜检测，目前研究和应用较多 的是1H和13C核磁共振谱。
（二）核自旋
➢ 把自旋核放在场强为B0的磁场中，由于磁矩 与磁场的相互作用，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，其大小为E= - B0m/I。 ➢ I=1/2 的氢核只有两种取向；
一、概述 generalization
在磁场的激励下，一些具有磁性的原子核存在着 不同的能级，如果此时外加一个能量，使其恰等 于相邻2个能级之差，则该核就可能吸收能量（称 为共振吸收），从低能级跃迁到高能级。
吸收的能量数量级相当于射频率范围的电磁波， 因此，所谓核磁共振就是研究磁性原子核对射频 能的吸收。
N
1 2
当B0 = 1.409 T，温度为300K时，高能态和低 能态的1H核数之比为：
N e 0.99999
1 2
6.631034 J s2.68108 T 1s11.409T 23.141.381023 J K 1300K
N
1 2
处于低能级的核数比高能态核数多十万分之一，而 NMR信号就是靠这极弱过量的低能态核产生的。
1H 核的 H = 2.68×108 T-1·S-1（特[斯拉]-1 ·秒-1）； 13C核的 C = 6.73×107 T-1·S-1
核的自旋角动量P是量子化的，与核的自旋量子数 I 的关系如下:
P h I (I 1)
2
I 可以取0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, 3等值。
P h I (I 1)
➢ 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=2B0
（核磁共振条件式） 2B0
h
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。
（1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说，因磁矩 为一定值，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。
12C6，2S16， 16O8
有自旋
14N7
质量数 为奇数
原子序数 为奇数或
偶数
自旋量子 数为1/2,
3/2, 5/2
有自旋
1H1，13C6 19F9，31P15
➢ 自旋量子数为零的原子核有：16O，12C，32S， 28Si，因为没有磁矩，不产生共振吸收谱，不能用 核磁共振来研究；
➢ 自旋量子数大于或等于1原子核有：2H，14N、 11B，35Cl，79Br，81Br和127I，这类原子核电荷分 布可看作是一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振 吸收情况复杂，目前在核磁共振的研究上应用还 很少。
例：外磁场B0= 4.69T，1H 的共振频率为 :
2.0015 108 s1 200 .15MHz (1s1 1Hz )
放在外磁场 B0= 2.35T， =100MHz
（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，共振频率的大小取决于核本 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。
C 50.Biblioteka Baidu6MHz
H 200 .15MHz
四、核自旋能级分布和驰豫
(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。
N
1 2
E
e kT
h
e kT
hB0
e 2kT
利用核磁共振光谱图进行结构预测，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 吸收波谱。
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➢ NMR是结构分析的重要工具之一，在化学、生 物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应 用。
➢ 分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破损 分析方法。
07:47:46
与紫外、红外光谱的比较
紫外-可见
红外
核磁共振
吸收 紫外可见光
红外光
无线电波
能量 200 ~ 780nm 780nm ~ 1000m 1 ~ 100m
跃迁 类型 电子能级跃迁
振动能级跃迁
自旋原子核 能级跃迁
吸收一定的能量，原子核能级发生跃迁，同时产 生核磁共振信号，得到核磁共振谱图。
二、原子核的自旋 nuclear spin
（一）原子核的磁性
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（P） 的增加成正比地增加 。
= P ， — 磁旋比（magnetogyric ration）， 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。
➢ I=1 的原子核有三种取向，依次类推，如下图 所示：
z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1
I=2
与外磁场平行，能量较低，m= +1/2, E 1/2= -B0 与外磁场方向相反，能量较高， m= -1/2, E -1/2=B0
I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系
➢由式 E = -ZB0及图可知，1H核在磁场中，由 低能级E1向高能级E2跃迁，所需能量为：
➢ △E = E2－E1= B0 -(-B0) = 2 B0
➢ △E与核磁矩及外磁场强度成正比，B0越大， 能级分裂越大，△E越大。
三、核磁共振 nuclear magnetic resonance
2
代入式（ = P）
h 2
I (I 1)
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。
07:47:46
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 为偶数
原子序数 为偶数
原子序数 为奇数
自旋量子 数为0
自旋量子 数为1,2,3
无自旋
➢ 自旋量子数I=1/2的原子核，核电荷呈球 形均匀分布于核表面，如: 1H1，13C6 ， 19F9 ， 31P15 ， 它 们 核 磁 共 振 现 象 较 简 单 ， 谱线窄，适宜检测，目前研究和应用较多 的是1H和13C核磁共振谱。
（二）核自旋
➢ 把自旋核放在场强为B0的磁场中，由于磁矩 与磁场的相互作用，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，其大小为E= - B0m/I。 ➢ I=1/2 的氢核只有两种取向；
一、概述 generalization
在磁场的激励下，一些具有磁性的原子核存在着 不同的能级，如果此时外加一个能量，使其恰等 于相邻2个能级之差，则该核就可能吸收能量（称 为共振吸收），从低能级跃迁到高能级。
吸收的能量数量级相当于射频率范围的电磁波， 因此，所谓核磁共振就是研究磁性原子核对射频 能的吸收。
N
1 2
当B0 = 1.409 T，温度为300K时，高能态和低 能态的1H核数之比为：
N e 0.99999
1 2
6.631034 J s2.68108 T 1s11.409T 23.141.381023 J K 1300K
N
1 2
处于低能级的核数比高能态核数多十万分之一，而 NMR信号就是靠这极弱过量的低能态核产生的。
1H 核的 H = 2.68×108 T-1·S-1（特[斯拉]-1 ·秒-1）； 13C核的 C = 6.73×107 T-1·S-1
核的自旋角动量P是量子化的，与核的自旋量子数 I 的关系如下:
P h I (I 1)
2
I 可以取0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, 3等值。
P h I (I 1)
➢ 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=2B0
（核磁共振条件式） 2B0
h
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。
（1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说，因磁矩 为一定值，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。
12C6，2S16， 16O8
有自旋
14N7
质量数 为奇数
原子序数 为奇数或
偶数
自旋量子 数为1/2,
3/2, 5/2
有自旋
1H1，13C6 19F9，31P15
➢ 自旋量子数为零的原子核有：16O，12C，32S， 28Si，因为没有磁矩，不产生共振吸收谱，不能用 核磁共振来研究；
➢ 自旋量子数大于或等于1原子核有：2H，14N、 11B，35Cl，79Br，81Br和127I，这类原子核电荷分 布可看作是一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振 吸收情况复杂，目前在核磁共振的研究上应用还 很少。
例：外磁场B0= 4.69T，1H 的共振频率为 :
2.0015 108 s1 200 .15MHz (1s1 1Hz )
放在外磁场 B0= 2.35T， =100MHz
（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，共振频率的大小取决于核本 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。