核磁共振和质谱解读

B0
P
E= E2 － E1 = （h/2 ） B0
发生核磁共振时： E= h 0
共振频率 0 = （1/2 ） B0
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总结：
（1）在相同 强度的外磁场下，不同的核，因磁旋比不同，发生共振的 频率不同，据此可以鉴别各种元素及同位素。
例如，在 2.3 T 的磁场中，1H 的共振频率为100 MHz ，13C 的为 25 MHz 只是氢核的1/4，而 133Cs 的仅仅是氢核的1/8 左右。
例子
1 I ,1H 1 , 13C6 ,19 F9 ,15 N 7 2 3 5 I ,11B5 , 35 Cl17 , I ,17 O8 2 2
12
偶数 偶数
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偶数 奇数
0 1，2，3„„
C6 , O8 , S16
16
32
I 1, 2H1 ,14 N 7 , I 3,10 B5
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基本原理：
• 根据量子力学原理，原子核与电子一样， 也具有自旋角动量（ P ），其自旋角动量 的具体数值由原子核的自旋量子数决定 （I）。不同类型的原子核自旋量子数也不 同。
• 某种特定的原子核，在给定的外加磁场中， 只吸收某一特定频率射频场提供的能量， 这样就形成了一个核磁共振信号。
6.626 1034 100.00 106 J s s 1 Ni exp 0.999984 23 1 Nj JK K 1.38066 10 298
两能级上核数目差：百万分之十；
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驰豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到
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三.能级分布与弛豫过程：
不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：
Ei E j Ni E h exp exp exp Nj kT kT kT
磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：
（2）对同一种核，当外磁场强度改变时，共振频率也随之而变。
例如，氢核在1.409 T 的磁场中，共振频率为60 MHZ ；而在2.350 T 时， 为100 MHZ。
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核磁共振产生的条件：
(1) 核有自旋(磁性核)
(2)外磁场,使能级裂分;
(3)照射频率与外磁场的比值0 / B0 = / (2 )
自旋量子数：
• I为零的原子核可以看作是一种非自旋的球 体； • I为1/2的原子核可以看作是一种电荷分布均 匀的自旋球体，1H，13C，15N，19F，31P 的I均为1/2，它们的原子核皆为电荷分布均 匀的自旋球体； • I大于1/2的原子核可以看作是一种电荷分布 不均匀的自旋椭圆体。
NMR方法：
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二、 核磁共振现象：
氢核（I=1/2），两种取向（两
个能级）：
(1) 与外磁场平行，能量低，磁 量子数ｍ＝+ 1/2;
(2) 与外磁场相反，能量高， 磁量子数ｍ＝- 1/2;
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自旋核在磁场中的行为：
1H
E2 =+ （h/4 ） B0 E E1 =－ （h/4 ） B0 磁旋比； B0外磁场强度
核磁共振成像 NMR
• 具有磁距的原子核在高强度磁场作用下， 可吸收适宜频率的电磁辐射，由低能态跃 迁到高能态的现象。如1H、3H、13C、15N、 19F、31P等原子核，都具有非零自旋而有磁 距，能显示此现象。由核磁共振提供的信 息，可以分析各种有机和无机物的分子结 构。 • 目前对核磁共振谱的研究主要集中在1H和 13C两类原子核的图谱。
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NMR的形成

B0

FID
Leabharlann Baidu

两能级上核数目差N/N= exp(- E/kT)
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四.核磁共振波谱仪：
1．永久磁铁：提供外磁场，要
求稳定性好，均匀，不均匀性 小于六千万分之一。扫场线圈。
（1）在很强的外磁场中，某些磁 性原子核可以分裂成两个或更多 的量子化能级。 （2）用一个能量恰好等于分裂后相 邻能级差的电磁波照射，该核就可以 吸收此频率的波，发生能级跃迁，从 而产生 NMR 吸收。
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NMR的形成
o P
I ≥1/2
P: 原子核的角动量
:
:
磁矩
磁旋比
讨论:
(1) I=1 或 I >0的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I
这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆 体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用 较少；
(2)Ｉ＝1/2的原子核
如1H，13C
原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀 螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主 要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。
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一、
原子核的自旋

（1）一些原子核像电子一样存在自旋现象， 因而有自旋角动量： I为自旋量子数 角动量： （2）由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会 产生 核磁矩：m
= P
磁旋比，即核磁矩与自旋角动量的比值，不同的核具有不同的
磁旋比，它是磁核 一个特征（固定）值。
1 2.79270
H
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13 0.70216
C
可以产生能级分裂的核
若原子核存在自旋，产生核磁矩，这些 核的 行为很像磁棒，在外加磁场
下，核磁体可以有（2I+1）种取向。
只有自旋量子数（I）不为零的核才具有磁矩
质量数（a） 原子序数（Z） 自旋量子（I） 奇数 奇或偶
1 3 5 , , 2 2 2
低能态
弛豫就是用来描述自旋“忘记”特定指向状态的速度。
•纵向驰豫也称自旋-晶格驰豫
处在高能级的核将能量以热能形式转移给周围分子骨架（晶格）中的其它 核，而回到低能级，这种释放能量的方式称为纵向驰豫。 周围的粒子，对固体样品是指晶格，对液体样品指周围的同类分子或溶剂分子。
横向驰豫也称自旋-自旋驰豫
自旋核之间进行内部的能量交换，高能态的核将能量转移给低能级的核，使 它变成高能态而自身返回低能态，这种释放能量的方式称为横向驰豫。