仪器分析第八章核磁共振波谱法
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
★
仪器分析第八章核磁共振波谱法
8.1 核磁共振波谱法基本原理
• 一、原子核的自旋运动 • 实验证明，大多数原子核都有围绕某个轴作
自身旋转运动的现象，称为核的自旋运动， 且可用自旋角动量P来描述：
P h I(I 1)
①
2
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 试中 h—Planck常数 I—自旋量子数，其值与该核的质量数
和原子序数有关(见下表) 表1.各种原子核的自旋量子数
仪器分析第八章核磁共振波谱法
质量数 偶数
原子序数 自旋量子 数I
偶数
0
实例 12C，16O,32S，28Si，
奇数 奇数或偶数 1/2
1H,13C,15N,19F,29Si 31P等
奇数 奇数或偶数 3/2 ,5/2… 11B,17O，33S，35Cl, 37C1, 79Br,127I等
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 其进动园频率ω=2πν=γB0
• 若在垂直于B0的平面上加一个线偏振交变磁 场（即射频电磁波），其园频率等于ωL， 若二者相等，则电磁波的能量就传递给原 子核，核进动角θ就会发生很大改变，核 由低能级向高能级跃迁，产生核磁共振现 象。
ωL=ω=2πν=γB0 ν共振 = γB0/2π
• 当hν=ΔE时，则ν共振 =2µZB0/h
•
=γB0/2π
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• ▲现在从另一角度来讨论核磁共振现象。 • 在B0中，原子核绕其自旋轴旋转（自旋
轴与核磁矩μ方向一致），而自旋轴又与静 磁场B0保持某一夹角θ而绕B0进动 （precess）或称Larmor进动（如图所示）
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 由于所吸收能量的数量级相当于射频范围 的电磁波（0.1～几百MHz），属于射频区， 因此，NMR是研究磁性原子核对射频能的 吸收。
• 核磁共振波谱法已成为鉴定有机化合物结 构及研究化学反应动力学等极为重要的方 法，在有机化学、生物化学、药物化学、 物理化学、无机化学及多种工业部门中得 到广泛应用。
第八章 核磁共振波谱法(NMR)
(Nuclear magnetic resonance spectroscopy)
• 学习目的 • 通过本章学习，应明确NMR研究的对象，
理解NMR现象及其NMR的产生，了解核磁 共振波谱仪的结构及工作原理，掌握NMR 法的基本原理及基本概论，掌握化学位移 及自旋偶合产生的原因及其影响因素，了 解NMR的应用。
仪器分析第八章核磁共振波谱法
本章主要内容
• NMR概述 • 8.1 核磁共振波谱法基本原理 • 8.2 核磁共振波谱仪和试样的制备 • 8.3 化学位移和核磁共振谱 • 8.4 简单自旋偶合和自旋裂分 • 8.5 核磁共振波谱法的应用
仪器分析第八章核磁共振波谱法
NMR概述
• 在外磁场的作用下，一些具有磁性的原子 核（原子核自旋产生磁矩）分裂成不同的 能级（量子化的），如果此时外加一个能 量hν（射频电磁波），使其恰好等于相邻 两个能级的能量差ΔE，则该核就可能吸收 能量（共振吸收）从低能态跃迁至高能态， 同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱。 这种方法称为核磁共振波谱法。
2.5179*108
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 二、核动量矩及磁矩的空间量子化（原子 核在外磁场中的行为）
• 当空间存在静磁场（磁场强度为B0），且 方向沿Z轴方向时，根据量子力学原则，原 子核自旋角动量在Z轴上的投影,只能取一些 不连续的数值即
• Pz=mh/2π（m：原子核的磁量子数，
m=I，I-1,I-2…-I，共2I+1个）
★ΔE=γ（h/2π）B0
⑦
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 三、核磁共振的产生
• 在静磁场中，具有磁矩的原子核存在着不 同能级。此时，如运用某一特定频率的电Biblioteka Baidu磁波（射频）来照射样品，并使该电磁波 满足：
• hν=ΔE=γ(h/2π)B0
• ν共振=γB0/2π
⑧
• 则原子核就可吸收射频能由低能级跃迁至 高能级，产生共振吸收。
仪器分析第八章核磁共振波谱法
原子核 天然丰度%
1H
99.9844
2H
1.56*10-2
12C
98.893
13C
1.108
14N
99.635
16O
99.759
19F
100
自旋量 子数I 1/2
1 0 1/2 1 0 1/2
磁旋比
2.6753*108 0.4102*108
0.6728*108 0.1931*108
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 吸收信号被核磁共振谱仪接收并记录下来 就获得核磁共振谱。
★因此⑧式即为核磁共振方程或核磁共振的 必要条件。
例如：对于1H核，I=1/2，在B0中，共有2I+1 个取向，即m=1/2，-1/2
∴ E1=-µz B0
E2=+µz B0 ΔE=E2-E1=2µz B0
仪器分析第八章核磁共振波谱法
子化的，每种取向对应有一定的能量(能级)。
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 量子力学证明，原子核在外磁场中的取向 由磁量子数m决定，共有2I+1个取向。因 此原子核不同能级间的能量差则为：
• ΔE=-Δmγ(h/2π)B0
⑥
• 由量子力学的选律可知，只有Δm=±1的 跃迁才是允许的，所以相邻能级间发生跃 迁所对应的能量差为：
偶数
奇数 1,2,3… 2H，10B,14N等
仪器分析第八章核磁共振波谱法
没有自旋
自旋球体
自旋椭圆体
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 由于原子核是带正电荷的粒子，自旋时除 有自旋角动量P外，还产生磁矩µ，磁矩的 方向与自旋角动量的方向一致，且相互平 行。它们之间的关系如下：
•
µ =γP
②
• ②式中γ—磁旋比，是原子核的重要属性， 不同的原子核其γ不同，其单位是：弧度·T1·s-1。(见下表)
参见下面的示意图
仪器分析第八章核磁共振波谱法
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 下面对核磁共振方程ν共振=γB0/2π进行讨 论。
③
• 如下图所示
仪器分析第八章核磁共振波谱法
静磁场B0中不同I的原子核自旋角动量的空间取向
仪器分析第八章核磁共振波谱法
因此，原子核磁矩在Z轴上的投影也是量子 化的
µz=γPz
④
磁矩和磁场的相互作用能为：
★ E=-µzB0=-γm(h/2π)B0
⑤
总结：有自旋角动量的原子核在外磁场
中会取向，这种取向在Z轴方向的投影是量
仪器分析第八章核磁共振波谱法
8.1 核磁共振波谱法基本原理
• 一、原子核的自旋运动 • 实验证明，大多数原子核都有围绕某个轴作
自身旋转运动的现象，称为核的自旋运动， 且可用自旋角动量P来描述：
P h I(I 1)
①
2
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 试中 h—Planck常数 I—自旋量子数，其值与该核的质量数
和原子序数有关(见下表) 表1.各种原子核的自旋量子数
仪器分析第八章核磁共振波谱法
质量数 偶数
原子序数 自旋量子 数I
偶数
0
实例 12C，16O,32S，28Si，
奇数 奇数或偶数 1/2
1H,13C,15N,19F,29Si 31P等
奇数 奇数或偶数 3/2 ,5/2… 11B,17O，33S，35Cl, 37C1, 79Br,127I等
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 其进动园频率ω=2πν=γB0
• 若在垂直于B0的平面上加一个线偏振交变磁 场（即射频电磁波），其园频率等于ωL， 若二者相等，则电磁波的能量就传递给原 子核，核进动角θ就会发生很大改变，核 由低能级向高能级跃迁，产生核磁共振现 象。
ωL=ω=2πν=γB0 ν共振 = γB0/2π
• 当hν=ΔE时，则ν共振 =2µZB0/h
•
=γB0/2π
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• ▲现在从另一角度来讨论核磁共振现象。 • 在B0中，原子核绕其自旋轴旋转（自旋
轴与核磁矩μ方向一致），而自旋轴又与静 磁场B0保持某一夹角θ而绕B0进动 （precess）或称Larmor进动（如图所示）
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 由于所吸收能量的数量级相当于射频范围 的电磁波（0.1～几百MHz），属于射频区， 因此，NMR是研究磁性原子核对射频能的 吸收。
• 核磁共振波谱法已成为鉴定有机化合物结 构及研究化学反应动力学等极为重要的方 法，在有机化学、生物化学、药物化学、 物理化学、无机化学及多种工业部门中得 到广泛应用。
第八章 核磁共振波谱法(NMR)
(Nuclear magnetic resonance spectroscopy)
• 学习目的 • 通过本章学习，应明确NMR研究的对象，
理解NMR现象及其NMR的产生，了解核磁 共振波谱仪的结构及工作原理，掌握NMR 法的基本原理及基本概论，掌握化学位移 及自旋偶合产生的原因及其影响因素，了 解NMR的应用。
仪器分析第八章核磁共振波谱法
本章主要内容
• NMR概述 • 8.1 核磁共振波谱法基本原理 • 8.2 核磁共振波谱仪和试样的制备 • 8.3 化学位移和核磁共振谱 • 8.4 简单自旋偶合和自旋裂分 • 8.5 核磁共振波谱法的应用
仪器分析第八章核磁共振波谱法
NMR概述
• 在外磁场的作用下，一些具有磁性的原子 核（原子核自旋产生磁矩）分裂成不同的 能级（量子化的），如果此时外加一个能 量hν（射频电磁波），使其恰好等于相邻 两个能级的能量差ΔE，则该核就可能吸收 能量（共振吸收）从低能态跃迁至高能态， 同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱。 这种方法称为核磁共振波谱法。
2.5179*108
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 二、核动量矩及磁矩的空间量子化（原子 核在外磁场中的行为）
• 当空间存在静磁场（磁场强度为B0），且 方向沿Z轴方向时，根据量子力学原则，原 子核自旋角动量在Z轴上的投影,只能取一些 不连续的数值即
• Pz=mh/2π（m：原子核的磁量子数，
m=I，I-1,I-2…-I，共2I+1个）
★ΔE=γ（h/2π）B0
⑦
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 三、核磁共振的产生
• 在静磁场中，具有磁矩的原子核存在着不 同能级。此时，如运用某一特定频率的电Biblioteka Baidu磁波（射频）来照射样品，并使该电磁波 满足：
• hν=ΔE=γ(h/2π)B0
• ν共振=γB0/2π
⑧
• 则原子核就可吸收射频能由低能级跃迁至 高能级，产生共振吸收。
仪器分析第八章核磁共振波谱法
原子核 天然丰度%
1H
99.9844
2H
1.56*10-2
12C
98.893
13C
1.108
14N
99.635
16O
99.759
19F
100
自旋量 子数I 1/2
1 0 1/2 1 0 1/2
磁旋比
2.6753*108 0.4102*108
0.6728*108 0.1931*108
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 吸收信号被核磁共振谱仪接收并记录下来 就获得核磁共振谱。
★因此⑧式即为核磁共振方程或核磁共振的 必要条件。
例如：对于1H核，I=1/2，在B0中，共有2I+1 个取向，即m=1/2，-1/2
∴ E1=-µz B0
E2=+µz B0 ΔE=E2-E1=2µz B0
仪器分析第八章核磁共振波谱法
子化的，每种取向对应有一定的能量(能级)。
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 量子力学证明，原子核在外磁场中的取向 由磁量子数m决定，共有2I+1个取向。因 此原子核不同能级间的能量差则为：
• ΔE=-Δmγ(h/2π)B0
⑥
• 由量子力学的选律可知，只有Δm=±1的 跃迁才是允许的，所以相邻能级间发生跃 迁所对应的能量差为：
偶数
奇数 1,2,3… 2H，10B,14N等
仪器分析第八章核磁共振波谱法
没有自旋
自旋球体
自旋椭圆体
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 由于原子核是带正电荷的粒子，自旋时除 有自旋角动量P外，还产生磁矩µ，磁矩的 方向与自旋角动量的方向一致，且相互平 行。它们之间的关系如下：
•
µ =γP
②
• ②式中γ—磁旋比，是原子核的重要属性， 不同的原子核其γ不同，其单位是：弧度·T1·s-1。(见下表)
参见下面的示意图
仪器分析第八章核磁共振波谱法
仪器分析第八章核磁共振波谱法
• 下面对核磁共振方程ν共振=γB0/2π进行讨 论。
③
• 如下图所示
仪器分析第八章核磁共振波谱法
静磁场B0中不同I的原子核自旋角动量的空间取向
仪器分析第八章核磁共振波谱法
因此，原子核磁矩在Z轴上的投影也是量子 化的
µz=γPz
④
磁矩和磁场的相互作用能为：
★ E=-µzB0=-γm(h/2π)B0
⑤
总结：有自旋角动量的原子核在外磁场
中会取向，这种取向在Z轴方向的投影是量