核磁共振新技术
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E= H0 两种取向对应两个能级：
当 与H0同向时， E= - H0； 当 与H0反向时， E= ﹢H0
2020/12/2
12
核磁矩在外磁场中的能级分布
2020/12/2
13
两能级差为：
E=E2-E1=2 H0
将式代入得： E＝ hH0 2
2)、拉摩进动(Lamor)
在外磁场旋转的原子核，
其自旋轴与外磁场方向之间有 一倾角。外磁场的作用使核磁 受到一个垂直核磁矩的扭力， 这样原子核就围绕外磁场的方 向回旋，犹如在重力场中运动 的陀螺。这种运动方式称为拉 摩进动。
作用 。
•
核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Bloch)和哈
佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得
1952年诺贝尔物理学奖。60多年来，核磁共振已形成为一门有
完整理论的新学科。
2020/12/2
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
2020/12/2
图3、(a)自旋陀螺在重力 场中的进动工(b)自旋原 子核在外磁场中的进14 动
进动角频率： l H0 ，进动线频率： l
l 2
将式代入得：
l
2
H0
3）核磁共振的条件
量子力学选律可知，只有m = 1的跃迁，才是 允许跃迁，所以相邻两能级之间的能量差：
E=E2-E1=2 H0
P2h I(I1)2hI
将式代入：得到： hI 2
2020/12/2
图1 核磁产生磁场的方向
10
3、核磁在外磁场中的行为
1）核磁与外磁场H0之间的作用能
P是空间量子化的，在坐标Z轴上的分量Pz取分立的
值：
Pz
h
2
m
式中：m是原子核的磁量子数，其值等于﹣I, I+1,…I-1,
I。故能取(2I+1)个值Pz的各个值相相差 因此是不连续的，是空间量子化的。
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
4
12位因对核磁共振的杰出贡献而获得 诺贝尔奖科学家
•
1944年
I.Rabi
•
•
1991年
R.R.Ernst
2020/12/2
5
核磁共振原理
核磁共振光谱：
以频率为兆赫级、波长很长、能量很低的电磁波照射 分子，电磁波能与暴露在强磁场中的磁性核相互作用， 引起磁性核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁而产生吸 收信号。与其他光谱方法一样，属于波谱分析。
§1 原子核的磁性 1、原子核的自旋
2) 对于同一种原子核来说， 值一定，共振频率随外磁场H0 而改变。
从式中可知道，观察核磁共振吸收的方法有两种：固定磁场 强20度20/1H2/20而改变频率，称为扫频法；固定电磁波频率而改1变6 磁场强度H0 ，称之为扫场法。
4、弛豫过程
1H的磁性核在电磁波的作用下，能级分裂为二。根据
Boltzmann分配定律，处在低能级的原子核数目占有微弱的优 势。如在外磁场（60MHz), 温度为27℃时，两个能级上氢 核数目N之比为：
会产生共振信号。
只有当I ＞ 0时，才能发生共振吸收，产生共振信号。
说 明： I为核自旋量子数也简称核自旋，其数值随核而异。
（1）核内质子数和中子数都为偶数时，I=0，观察不到核磁共振现象
（2）核内质子数和中子数均为奇数时，I为正整数。
（3）核内质子数中子数一奇一偶时，I为半整数。
后两类是核磁共振研究的主要对象。
2
h
的整数倍，
H0
Mi=
1 2
E1=﹢H0
E
E
Mi=
1 2
E2=﹣H0
图2 1H 在外磁场中的取向能级
2020/12/2
11
以1H核 为例，无外磁场 H0作用，排列是随机的， 磁性相互抵消；加上外磁场H0时， 1H有序排列。排 列方式有(2I+1 , I=1/2 )种，即两种取向，分别对应 两个自旋量子数Mi=1/2。 外磁场 H0与核的作用能:
原子核由质子和中子组成，与核外电子一样存在自旋。 原子核绕 轴自身作旋转运动，产生自旋角动量P。由 量子2力020/学12/2计算，P的绝对值由核自旋量子数I决定。 6
P2h I(I1)
式中：h是普朗克常数, 6.62410-34J/S
I是核的自旋量子数,
In 2
I = 0， P=0， 无自旋，不能产生自旋角动量，不
1952年
F.Block
•
1952年
E.M.Purcell
•
1955年
W.E.Lamb
•
1955年
P.Kusch
•
1964年
C.H.Townes
•
1966年
A.Kastler
•
1977年
J.H.VanHale Waihona Puke BaiduVleck
•
1981年
N.Bloembergen
•
1983年
H.Taube
•
1989年
N.F.Ramsey
2020/12/2
7
I 的取值可用下面关系判断：
质量数（A）
奇数 偶数
例如：
原子序数（Z） 自旋量子数（I）
奇数或偶数 半整数 n + 1/2。n = 0,1,2,…
奇数
整数
偶数
0
A（1）
H
Z（1）
奇-奇
I为半整数（1/2）
有共振吸收
2020/12/2
A（12）
C
Z（6） 偶-偶
I=0
无
A（14）
核磁共振新技术及其应用
• 核磁共振概述 • 核磁共振新技术及应用
2020/12/2
1
概述
•
核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段 ，由于其可深
入物质内部而不破坏样品 ，并具有迅速、准确、分辨率高等优
点而得以迅速发展和广泛应用 ，已经从物理学渗透到化学、生
物、地质、医疗以及材料等学科 ，在科研和生产中发挥了巨大
如果在磁场的垂直方向加一个射频场，当射频
场的能量h 电满足条件：
h电＝E＝
hH0
2
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15
电
H0
2
即
电l
hH0 2
v 2Bo 或 Bo
核子从射频场中吸收能量hv从低能级跃迁到高能级， 发生核磁共振吸收。
原子核在外磁场中吸收特定频率电磁波的现象称为核磁共振。
公式的意义：
1) 对于不同的原子核，由于磁旋比不同，发生共振的条件 不同。
N
Z（7）
偶-奇
I为整数
有共振吸收
8
半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当加一外磁 场，这些原子核的能级发生分裂，这一物理现象称为塞曼效应。
在外磁场B0中塞曼分裂图：
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2、原子核的核磁矩
核自旋产生磁场，其方向由右手定则确定，如图 所示。核磁矩由下式确定：
P
式中： 为磁旋比。不同的 核，其值不同； 为核磁矩； P为自旋角动量
当 与H0同向时， E= - H0； 当 与H0反向时， E= ﹢H0
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核磁矩在外磁场中的能级分布
2020/12/2
13
两能级差为：
E=E2-E1=2 H0
将式代入得： E＝ hH0 2
2)、拉摩进动(Lamor)
在外磁场旋转的原子核，
其自旋轴与外磁场方向之间有 一倾角。外磁场的作用使核磁 受到一个垂直核磁矩的扭力， 这样原子核就围绕外磁场的方 向回旋，犹如在重力场中运动 的陀螺。这种运动方式称为拉 摩进动。
作用 。
•
核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Bloch)和哈
佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得
1952年诺贝尔物理学奖。60多年来，核磁共振已形成为一门有
完整理论的新学科。
2020/12/2
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
2020/12/2
图3、(a)自旋陀螺在重力 场中的进动工(b)自旋原 子核在外磁场中的进14 动
进动角频率： l H0 ，进动线频率： l
l 2
将式代入得：
l
2
H0
3）核磁共振的条件
量子力学选律可知，只有m = 1的跃迁，才是 允许跃迁，所以相邻两能级之间的能量差：
E=E2-E1=2 H0
P2h I(I1)2hI
将式代入：得到： hI 2
2020/12/2
图1 核磁产生磁场的方向
10
3、核磁在外磁场中的行为
1）核磁与外磁场H0之间的作用能
P是空间量子化的，在坐标Z轴上的分量Pz取分立的
值：
Pz
h
2
m
式中：m是原子核的磁量子数，其值等于﹣I, I+1,…I-1,
I。故能取(2I+1)个值Pz的各个值相相差 因此是不连续的，是空间量子化的。
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
4
12位因对核磁共振的杰出贡献而获得 诺贝尔奖科学家
•
1944年
I.Rabi
•
•
1991年
R.R.Ernst
2020/12/2
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核磁共振原理
核磁共振光谱：
以频率为兆赫级、波长很长、能量很低的电磁波照射 分子，电磁波能与暴露在强磁场中的磁性核相互作用， 引起磁性核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁而产生吸 收信号。与其他光谱方法一样，属于波谱分析。
§1 原子核的磁性 1、原子核的自旋
2) 对于同一种原子核来说， 值一定，共振频率随外磁场H0 而改变。
从式中可知道，观察核磁共振吸收的方法有两种：固定磁场 强20度20/1H2/20而改变频率，称为扫频法；固定电磁波频率而改1变6 磁场强度H0 ，称之为扫场法。
4、弛豫过程
1H的磁性核在电磁波的作用下，能级分裂为二。根据
Boltzmann分配定律，处在低能级的原子核数目占有微弱的优 势。如在外磁场（60MHz), 温度为27℃时，两个能级上氢 核数目N之比为：
会产生共振信号。
只有当I ＞ 0时，才能发生共振吸收，产生共振信号。
说 明： I为核自旋量子数也简称核自旋，其数值随核而异。
（1）核内质子数和中子数都为偶数时，I=0，观察不到核磁共振现象
（2）核内质子数和中子数均为奇数时，I为正整数。
（3）核内质子数中子数一奇一偶时，I为半整数。
后两类是核磁共振研究的主要对象。
2
h
的整数倍，
H0
Mi=
1 2
E1=﹢H0
E
E
Mi=
1 2
E2=﹣H0
图2 1H 在外磁场中的取向能级
2020/12/2
11
以1H核 为例，无外磁场 H0作用，排列是随机的， 磁性相互抵消；加上外磁场H0时， 1H有序排列。排 列方式有(2I+1 , I=1/2 )种，即两种取向，分别对应 两个自旋量子数Mi=1/2。 外磁场 H0与核的作用能:
原子核由质子和中子组成，与核外电子一样存在自旋。 原子核绕 轴自身作旋转运动，产生自旋角动量P。由 量子2力020/学12/2计算，P的绝对值由核自旋量子数I决定。 6
P2h I(I1)
式中：h是普朗克常数, 6.62410-34J/S
I是核的自旋量子数,
In 2
I = 0， P=0， 无自旋，不能产生自旋角动量，不
1952年
F.Block
•
1952年
E.M.Purcell
•
1955年
W.E.Lamb
•
1955年
P.Kusch
•
1964年
C.H.Townes
•
1966年
A.Kastler
•
1977年
J.H.VanHale Waihona Puke BaiduVleck
•
1981年
N.Bloembergen
•
1983年
H.Taube
•
1989年
N.F.Ramsey
2020/12/2
7
I 的取值可用下面关系判断：
质量数（A）
奇数 偶数
例如：
原子序数（Z） 自旋量子数（I）
奇数或偶数 半整数 n + 1/2。n = 0,1,2,…
奇数
整数
偶数
0
A（1）
H
Z（1）
奇-奇
I为半整数（1/2）
有共振吸收
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A（12）
C
Z（6） 偶-偶
I=0
无
A（14）
核磁共振新技术及其应用
• 核磁共振概述 • 核磁共振新技术及应用
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概述
•
核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段 ，由于其可深
入物质内部而不破坏样品 ，并具有迅速、准确、分辨率高等优
点而得以迅速发展和广泛应用 ，已经从物理学渗透到化学、生
物、地质、医疗以及材料等学科 ，在科研和生产中发挥了巨大
如果在磁场的垂直方向加一个射频场，当射频
场的能量h 电满足条件：
h电＝E＝
hH0
2
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15
电
H0
2
即
电l
hH0 2
v 2Bo 或 Bo
核子从射频场中吸收能量hv从低能级跃迁到高能级， 发生核磁共振吸收。
原子核在外磁场中吸收特定频率电磁波的现象称为核磁共振。
公式的意义：
1) 对于不同的原子核，由于磁旋比不同，发生共振的条件 不同。
N
Z（7）
偶-奇
I为整数
有共振吸收
8
半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当加一外磁 场，这些原子核的能级发生分裂，这一物理现象称为塞曼效应。
在外磁场B0中塞曼分裂图：
2020/12/2
9
2、原子核的核磁矩
核自旋产生磁场，其方向由右手定则确定，如图 所示。核磁矩由下式确定：
P
式中： 为磁旋比。不同的 核，其值不同； 为核磁矩； P为自旋角动量