第7章 核磁共振波谱分析法课件

奇或偶 偶数
1 , 3, 5 222
0
I 12,1H1, 13C6 ,19F9 ,15N7
I
23,11B5,35Cl17, I
5,1 2
7O8
12C6 ,16O8 ,32S16
偶数
奇数
1，2，3……
I 1,2H1,14N7 , I 3,10B5
2020/8/4
讨论:
(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 22 S等 ，无自 旋，没有磁矩，不产生共振吸收
磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：
共 振 2 频 B 02 .6 率 2 8 1 3 8. 0 2 2 .3 44 18 .0M 8 0 Hz
N N ij ex 6 .p 6 1 .3 2 1 8 6 3 0 0 1 41 6 2 0.0 3 0 6 2 0 0 1 960 8 J J K s 1 s K 1 0 .99998
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共振条件
(1) 核有自旋(磁性核) (2)外磁场,能级裂分;
(3)照射频率与外磁场的比值0 / B0 = / (2 )
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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：
N N ij ex E p ik E T j ex k p E T ex h k p T
(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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( 核磁共振现象)
两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’ 和 125 °36’相互作用, 产生进动(拉莫进 动)进动频率 0； 角速度0；
0 = 2 0 = B0 磁 核磁共振基本
原理
principles of nuclear magnetic resonance
一、原子核的自旋
atomic nuclear spin 二、核磁共振现象
nuclear magnetic resonance 三、核磁共振条件
condition of nuclear magnetic resonance 四、核磁共振波谱仪
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二、 核磁共振现象
nuclear magnetic resonance
自旋量子数 I=1/2的原子核 （氢核），可当作电荷均匀分 布的球体，绕自旋轴转动时， 产生磁场，类似一个小磁铁。
于外磁当场置，于有外（磁场2I+H10）中种时取，向相：对 氢核（I=1/2），两种取向
（两个能级）：
• （2）横向弛豫 • 自旋－自旋弛豫（spin- spin relaxation）。两个ν0相同，
进动取向不同的自旋核，相互接近时，会交换能量， 改变进动取向。处于高能级的自旋核将能量转移给低 能级的核，自身能量降低回到低能级而使原来低能级 的核跃迁到高能级。
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讨论:
共振条件： 0 = B0 / (2 ) （1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， B0变，射频频率变。 （2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需 要的磁场强度B0和射频频率不同。
两种进动取向不同的氢核之 间的能级差：
E= B0 （磁矩）
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三、核磁共振条件
condition of nuclear magnetic resonance
在外磁场中，原子核能级 产生裂分，由低能级向高能 级跃迁，需要吸收能量。
能级量子化。射频振荡 线圈产生电磁波。
对于氢核，能级差： E= B0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= B0 = h 0 由拉莫进动方程：0 = 2 0 = B0 ; 核磁共振方程或共振条件： 0 = B0 / (2 )
两能级上核数目差：1.610-5；
弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。 饱和(saturated)——低能态的核等于高能态的核。
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弛豫过程
• （1）纵向弛豫
• 自旋－晶格弛豫（spin-lattic relaxation）。处于高能级 的核，将能量转移给周围分子变成热运动，自旋核回 到低能级。
(2) 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；
(3)Ｉ＝1/2的原子核 1H，13C，19F，31P
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。
nuclear magnetic resonance spectrometer
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概述
• 核磁共振波谱是分子吸收波长很长、频率为兆 赫数量级（MHz）、能量很低的电磁辐射引起 核自旋能级的裂分。将有磁性的自旋原子核放 入强磁场中，以适当频率的电磁波辐射，原子 核吸收射频辐射发生能级跃迁，产生核磁共振 吸收现象，从而获得有关化合物分子骨架信息，
这种方法称为核磁共振波谱分析法。
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一、 原子核的自旋
atomic nuclear spin
若原子核存在自旋，产生核磁矩和核动量：
自旋角动量：
h 2
I(I1)
核 磁 矩：pr I(I1)h/2
自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，
质量数（a） 原子序数（Z）自旋量子（I）
例子
奇数 偶数
γ值大的原子核，在相同磁场强度下发生核磁能级跃迁时 的射频波频率高；反之，γ值小的原子核，在相同磁场强度下 发生核磁能级跃迁时的射频波频率低，
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• （3） 固定B0 ，改变（扫频） ，不同原子核 在不同频率处发生共振（图）。也可固定 ，
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z
z
z
核磁矩取向：2I+1
m=1/2 m=1
m=2
B0
m=1
m=0
mm==0-1
m=-1/2 m= -1
m= -2
I=1/2 I=1
I=2
B0
P
1H E2=+ B0
E B0
E= E2 － E1 = 2 B0
I
E1=－ B0
μ为自旋核产生的磁矩， B0为外加磁场强度， I为自旋量子数。