核磁共振课件汇总

N(1/ 2) eE / kT e2H0 / kT 1.00因此,在射频电磁波的照射下，氢核 吸收能量发生跃迁，其结果就使处于 低能态氢核的微弱多数趋于消失，能 量的净吸收逐渐减少，共振吸收峰渐 渐降低，甚至消失，使吸收无法测量， 这时发生“饱和”现象。
弛豫过程
(1) 自旋晶格弛豫：处于高能态的氢 核，把能量转移给周围的分子（固体为晶 格，液体则为周围的溶剂分子或同类分子） 变成热运动，氢核就回到低能态。对于全 体的氢核而言，总的能量是下降了，故又
称纵向弛豫。时间以t1表示.
(2) 自旋—自旋弛豫：
两个进动频率相同、进动取向不同 的磁性核，即两个能态不同的相同核， 在一定距离内时，它们互相交换能量， 改变进动方向，这就是自旋—自旋弛 豫。
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;
如果有些氢核的 磁场与外磁场不 完全平行，外磁 场就要使它取向 于外磁场的方向。 核自旋产生的磁 场与外磁场发生 相互作用。
原子核的运动状态除了自旋外，附加还要一个以外磁场方 向为轴线的回旋，它一面自旋，一面围绕着磁场方向发生回旋， 这 种 回 旋 运 动 称 进 动 (Precession) 或 拉 摩 尔 进 动 (Larmor Precession)。进动是有一定的频率，称拉摩尔频率。
I = 5/2： 17O、127I；
I = 1： 2H、14N等。
这类原子核核电荷分布是一个椭圆体， 电荷分布不均匀。它们的共振吸收常会产生 复杂情况，目前在核磁共振的研究上应用还 很少。
自旋量子数I 等于1/2的原子核有:
1H、19F、31P、13C等。
这些核可当作一个电荷均匀分布的 球体，可自旋，有磁矩形成，特别适用于 NMR实验。尤其是氢核（质子），不但易 于测定，而且它又是组成有机化合物的主 要元素之一。有机分析中，主要是1H、13C 核磁共振谱的测定。
由 h 0 E 2H 0
0
2H 0
h
2、对于不同的原子核，由于不同
在相同的磁场中，不同原子核发生共 振时的频率各不相同
根据这一点可以鉴别各种元素及同位 素。
由 h 0 E 2H 0
0
2H 0
h
3、固定H0，改变（扫频），不同原子核在不同
频率处发生共振。
也可固定 ，改变H0（扫场）。扫场方式应用较
原子序数
自旋量子数I
偶数
0
奇数
1，2，3，…
奇数或偶数
1/2，3/2，5/2
自旋量子数等于零的原子核有
16O、12C、32S、28Si等，
这些原子核没有自旋现象，因而没有磁 矩，不产生共振吸收谱，故不能用核磁共振 来研究。
自旋量子数大于或等于1的原子核：
I = 3/2： 11B、35C1、79Br、81Br等
在外磁场作用下，核自旋能级的裂分示意图
所以，与吸收光谱相似，为了产生共振，可 以用具有一定能量的电磁波照射核。当电磁波 的能量符合下式时，
h 0 E 2H0
进动核便与辐射光子相互作用(共振)，体 系吸收能量，核由低能态跃迁至高能态。式
中ν0 =光子频率。
较低能态(m = +1/2)
较高能态(m = -1/2)
第七章 核磁共振
Nuclear Magnetic Resonance（ NMR ）
第一节 核磁共振基本原理
一. 原子核的自旋
由于原子核是带电荷的粒子，若有自旋现象， 即产生磁距。物理学的研究证明，各种不同的原 子核，自旋的情况不同。原子核自旋的情况可用 自旋量子数I表征。
质量数 偶数 偶数 奇数
各种原子核的自旋量子数
多。 氢核（1H）： 1.409 T 共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率 100 MHz
磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特拉斯）
三.饱和与弛豫
当磁场不存在时，I = 1/2的原子核对两种可 能的磁量子数并不优先选择任何一个。在这类核 中，m等于+1/2及-1/2的核的数目完全相等。
若较高能态的核能够及时回复到较低能 态，就可以保持稳定信号。由于核磁共振中
氢核发生共振时吸收的能量ΔE 是很小的，
因而跃迁到高能态的氢核不可能通过发射谱 线的形式失去能量而返回到低能态，
这种由高能态回复到低能态而不发射原 来所吸收的能量的过程称为弛豫过程。
弛豫过程有两种，即自旋晶格弛豫和自 旋—自旋弛豫。
m = -1/2 的取向由于与外磁场方向相反，
能量较 m = +1/2者为高，其能量差E 等于：
E H0
I
由于I =1/2，故
E 2H0
式中 为自旋核产生的磁矩。
因此在磁场中， 一个核要从低能 态向高能态跃迁， 就必须吸收2H0的 能量。换言之， 核吸收2H0的能量 后，便产生共振， 此时核由m = +1/2 的 取 向 跃 迁 至 m = -1/2 的 取 向。
在磁场中，核则倾向于具有m = +1/2，此种核的 进动是与磁场定向有序排列的，即如指南针在地 球磁场内定向排列的情况相似。所以，在有磁场 存在下,m = +1/2 比m = -1/2的能态更为有利。
然而核处于 m = +1/2的趋向，可被热运动所 破坏。
饱和
根据波尔兹曼分布定律，可以计算，在 室温(300K)及l.409T强度的磁场中，处于 低能态的核仅比高能态的核稍多一些，约 多百万分之十左右：
二.核磁共振现象
由于氢核带正电荷；氢核围绕着它的自旋轴转动时 就产生磁场。转动时产生的磁场方向可由右手螺旋定则 确定(a)，（b）。由此可将旋转的核看作是一个小的磁 铁棒(c)。
（a）自旋的氢核
（b）右手定则
（c）与自旋氢核相似的小磁 棒 氢核自旋产生的磁场
当核置于外加磁场H0 中时，可以有（2I+1） 种取向：
在外加磁场中电磁辐射(射频)与进动核的相互作用
由 h 0 E 2H 0
0
2H 0
h
1、对于同一种核，值一定。当外加磁场一
定时，共振频率也一定；当磁场强度改变时， 共振频率也随着改变。
例如氢核 在 1.409T的磁 场 中 ， 共 振频 率 为 60MHz ， 而 在 2.350T 时 ， 共 振 频 率 为 100MHz。