核磁共振基本原理
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两种进动取向不同的氢核之 间的能级差： E= H0 （磁矩）
20:51:58
Biblioteka Baidu
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= H0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= H0 = h 0 由拉莫进动方程：0 = 2 0 = H0 ; 共振条件： 0 = H0 / (2 )
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。
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z H0
z
m=1/2
z
m=-1/2 I=1 I=1/2
1
m=1 m=0 m= -1
I=2
H
m=2 m=1 m=0 m= -1 m= -2
第十一章 核磁共振波谱 分析法
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一、 原子核的自旋
若原子核存在自旋，产生核磁矩： h 自旋角动量： 2 I ( I 1) 核 磁 矩： g I ( I 1) 1 H 2.79270 13 0.70216 核磁子=eh/2M c；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，
(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 = H0 磁旋比； H0外磁场强度；
磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：
2.68 108 2.3488 共振频率 B0 100.00MHz 2 2 3.24 6.626 1034 100.00 106 J s s 1 Ni exp 0.999984 23 1 Nj JK K 1.38066 10 298
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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讨论:
共振条件： 0 = H0 / (2 ) （1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0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H0和射频频率不同。 （3） 固定H0 ，改变（扫频） ，不同原子核在不同频率处 发生共振（图）。也可固定 ，改变H0 （扫场）。扫场方式 应用较多。 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）
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内容选择：
• 第一节 核磁共振基本原理
principle of nuclear magnetic resonance
• 第二节 核磁共振与化学位移 • 第三节 自旋偶合与自旋裂分
spin coupling and spin splitting
nuclear magnetic resonance and chemical shift
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讨论:
在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结 构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移 和裂分，如右图所示。 由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的 信息，进一步确定化合物结构。
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四、核磁共振波谱仪
nuclear magnetic resonance spectrometer
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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 / H0 = / (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：
Ei E j Ni E h exp exp exp Nj kT kT kT
• 第四节 谱图解析与结构确定
analysis of spectrograph and structure determination
• 第五节
13C
13C核磁共振波谱
nuclear magnetic resonance 结束
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1．永久磁铁：提供外磁
场，要求稳定性好，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。
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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．样品管：外径5mm的
玻璃管,测量过程中旋转,
磁场作用均匀。
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核磁共振波谱仪
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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 ；
标样浓度（四甲基硅烷 TMS） ： 1%；
溶剂：1H谱 四氯化碳，二硫化碳；
氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；
E2=+ H0 E= E2 － E1 = 2 H0 E1=－ H0
H0
P
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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。
当置于外磁场H0中时，相对 于外磁场，有（2I+1）种取向： 氢核（I=1/2），两种取向 （两个能级）：
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傅立叶变换核磁共振波谱仪
不是通过扫场或扫 频产生共振； 恒定磁场，施加全 频脉冲，产生共振，采 集产生的感应电流信号， 经过傅立叶变换获得一 般核磁共振谱图。 （类似于一台多道仪）
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超导核磁共振波谱仪：
永久磁铁和电磁铁：
磁场强度<25 kG
超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导 材料制备的超导线圈；在低温4K，处 于超导状态；磁场强度>100 kG 开始时，大电流一次性励磁后，闭 合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不 变；温度升高，“失超”；重新励磁。 超导核磁共振波谱仪： 200-400HMz；可 高达600-700HMz；
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 nuclear magnetic resonance condition of nuclear spectroscopy; NMR magnetic resonance 四、核磁共振波谱仪 第一节 nuclear magnetic resonance 核磁共振基本原理 spectrometer principles of nuclear magnetic resonance
0 1，2，3„„
I 1, 2 H 1 ,14 N 7 , I 3,10 B5
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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 (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
C
atomic nuclear spin
质量数（a） 原子序数（Z） 自旋量子（I） 奇数 偶数 偶数 奇或偶 偶数 奇数
1 3 5 , , 2 2 2 I
例子
13 19 15 11 , H 1 , C 6 , F9 , N 7 2 3 11 5 I , B5 , 35 Cl17 , I ,17 O8 2 2 12 16 32 C 6 , O8 , S 16
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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= H0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= H0 = h 0 由拉莫进动方程：0 = 2 0 = H0 ; 共振条件： 0 = H0 / (2 )
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。
20:51:58
z H0
z
m=1/2
z
m=-1/2 I=1 I=1/2
1
m=1 m=0 m= -1
I=2
H
m=2 m=1 m=0 m= -1 m= -2
第十一章 核磁共振波谱 分析法
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一、 原子核的自旋
若原子核存在自旋，产生核磁矩： h 自旋角动量： 2 I ( I 1) 核 磁 矩： g I ( I 1) 1 H 2.79270 13 0.70216 核磁子=eh/2M c；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，
(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;
20:51:58
( 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 = H0 磁旋比； H0外磁场强度；
磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：
2.68 108 2.3488 共振频率 B0 100.00MHz 2 2 3.24 6.626 1034 100.00 106 J s s 1 Ni exp 0.999984 23 1 Nj JK K 1.38066 10 298
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。
20:51:58
讨论:
共振条件： 0 = H0 / (2 ) （1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0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H0和射频频率不同。 （3） 固定H0 ，改变（扫频） ，不同原子核在不同频率处 发生共振（图）。也可固定 ，改变H0 （扫场）。扫场方式 应用较多。 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）
20:51:58
内容选择：
• 第一节 核磁共振基本原理
principle of nuclear magnetic resonance
• 第二节 核磁共振与化学位移 • 第三节 自旋偶合与自旋裂分
spin coupling and spin splitting
nuclear magnetic resonance and chemical shift
20:51:58
讨论:
在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结 构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移 和裂分，如右图所示。 由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的 信息，进一步确定化合物结构。
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四、核磁共振波谱仪
nuclear magnetic resonance spectrometer
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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 / H0 = / (2 )
20:51:58
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：
Ei E j Ni E h exp exp exp Nj kT kT kT
• 第四节 谱图解析与结构确定
analysis of spectrograph and structure determination
• 第五节
13C
13C核磁共振波谱
nuclear magnetic resonance 结束
20:51:58
1．永久磁铁：提供外磁
场，要求稳定性好，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。
20:51:58
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．样品管：外径5mm的
玻璃管,测量过程中旋转,
磁场作用均匀。
20:51:58
核磁共振波谱仪
20:51:58
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 ；
标样浓度（四甲基硅烷 TMS） ： 1%；
溶剂：1H谱 四氯化碳，二硫化碳；
氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；
E2=+ H0 E= E2 － E1 = 2 H0 E1=－ H0
H0
P
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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。
当置于外磁场H0中时，相对 于外磁场，有（2I+1）种取向： 氢核（I=1/2），两种取向 （两个能级）：
20:51:58
傅立叶变换核磁共振波谱仪
不是通过扫场或扫 频产生共振； 恒定磁场，施加全 频脉冲，产生共振，采 集产生的感应电流信号， 经过傅立叶变换获得一 般核磁共振谱图。 （类似于一台多道仪）
20:51:58
超导核磁共振波谱仪：
永久磁铁和电磁铁：
磁场强度<25 kG
超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导 材料制备的超导线圈；在低温4K，处 于超导状态；磁场强度>100 kG 开始时，大电流一次性励磁后，闭 合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不 变；温度升高，“失超”；重新励磁。 超导核磁共振波谱仪： 200-400HMz；可 高达600-700HMz；
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 nuclear magnetic resonance condition of nuclear spectroscopy; NMR magnetic resonance 四、核磁共振波谱仪 第一节 nuclear magnetic resonance 核磁共振基本原理 spectrometer principles of nuclear magnetic resonance
0 1，2，3„„
I 1, 2 H 1 ,14 N 7 , I 3,10 B5
20:51:58
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 (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
C
atomic nuclear spin
质量数（a） 原子序数（Z） 自旋量子（I） 奇数 偶数 偶数 奇或偶 偶数 奇数
1 3 5 , , 2 2 2 I
例子
13 19 15 11 , H 1 , C 6 , F9 , N 7 2 3 11 5 I , B5 , 35 Cl17 , I ,17 O8 2 2 12 16 32 C 6 , O8 , S 16