核磁共振和质谱ppt课件
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（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。
*
NMR的形成
o P
I ≥1/2
P: 原子核的角动量
:
:
磁矩
磁旋比
*
一、
原子核的自旋
*
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 )
*
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：
E E N E h i j i exp exp exp N kT kT j kT
12
偶数 偶数
*
偶数 奇数
0 1，2，3……
C6 , O8 , S16
16
32
I 1, 2H1 ,14 N 7 , I 3,10 B5
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；
两能级上核数目差：百万分之十；
*
驰豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到
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
而回到低能级，这种释放能量的方式称为纵向驰豫。 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， 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。
求稳定性好，均匀，不均匀性 小于六千万分之一。扫场线圈。
2 ．射频振荡器：线圈垂直于 外磁场，发射一定频率的电磁 辐射信号。60MHz或 100MHz，…….
*
3 ．射频信号接受器（检测 器）： 当质子的进动频率与辐射频率 相匹配时，发生能级跃迁，吸 收能量，在感应线圈中产生毫 伏级信号。
4．探头：有外径5mm的玻璃样品管座, 发射线圈，接收线圈，预放大器和变温 元件等。样品管座处于线圈的中心，测量过程中旋转, 磁场作用均匀。发射线圈 和接收线圈相互垂直。
磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：
34 6 1 N 6 . 626 10 100 . 00 10 J s s i exp 0 . 9999 23 1 N . 38066 10 298 J K K j 1
（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。
.79270 .70216 1 2 13 0
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：
*
样品的制备：
试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30 mg； 傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg ；
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。
*
NMR的形成
B0
FID
两能级上核数目差N/N= exp(- E/kT)
*
四.核磁共振波谱仪：
1．永久磁铁：提供外磁场，要
核磁共振和质 谱
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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
*
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
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
*
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。
(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。
*
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;
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。
（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。
H
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
例子
1 I ,1H 1 , 13C6 ,19 F9 ,15 N 7 2 3 5 I ,11B5 , 35 Cl17 , I ,17 O8 2 2
*
NMR的形成
o P
I ≥1/2
P: 原子核的角动量
:
:
磁矩
磁旋比
*
一、
原子核的自旋
*
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 )
*
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：
E E N E h i j i exp exp exp N kT kT j kT
12
偶数 偶数
*
偶数 奇数
0 1，2，3……
C6 , O8 , S16
16
32
I 1, 2H1 ,14 N 7 , I 3,10 B5
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；
两能级上核数目差：百万分之十；
*
驰豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到
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
而回到低能级，这种释放能量的方式称为纵向驰豫。 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， 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。
求稳定性好，均匀，不均匀性 小于六千万分之一。扫场线圈。
2 ．射频振荡器：线圈垂直于 外磁场，发射一定频率的电磁 辐射信号。60MHz或 100MHz，…….
*
3 ．射频信号接受器（检测 器）： 当质子的进动频率与辐射频率 相匹配时，发生能级跃迁，吸 收能量，在感应线圈中产生毫 伏级信号。
4．探头：有外径5mm的玻璃样品管座, 发射线圈，接收线圈，预放大器和变温 元件等。样品管座处于线圈的中心，测量过程中旋转, 磁场作用均匀。发射线圈 和接收线圈相互垂直。
磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：
34 6 1 N 6 . 626 10 100 . 00 10 J s s i exp 0 . 9999 23 1 N . 38066 10 298 J K K j 1
（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。
.79270 .70216 1 2 13 0
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：
*
样品的制备：
试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30 mg； 傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg ；
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。
*
NMR的形成
B0
FID
两能级上核数目差N/N= exp(- E/kT)
*
四.核磁共振波谱仪：
1．永久磁铁：提供外磁场，要
核磁共振和质 谱
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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
*
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
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
*
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。
(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。
*
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;
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。
（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。
H
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
例子
1 I ,1H 1 , 13C6 ,19 F9 ,15 N 7 2 3 5 I ,11B5 , 35 Cl17 , I ,17 O8 2 2