核磁共振波谱法新优秀课件

图7-4 在静磁场中， 原子核自旋角动量的空间量子化
7.2 基本原理>> 7.2.2 核磁共振
2. 核自旋能级分裂 ➢ 例如 1H核(I=1/2)：m=+1/2
顺磁场，能量低；m=-1/2逆 磁场，能量高。
➢ 两者的能级差随着外磁场H0 的增大而增大，这种现象称 为能级分裂。
➢ 从顺磁跃迁到逆磁的能级差 ΔE与外磁场强度H0成正比。
➢ 磁矩μ和磁场H0的相互作用能为：
E z H0
N
m
h
2
H0
无磁场
有磁场 S
7.2 基本原理>> 7.2.2 核磁共振
2. 核自旋能级分裂
Z
z
m1
2
m1 2
Z
z
m 1
m0
m 1
Z
m 2 z m 1
m0
m 1 m 2
I 1/ 2,共2种取向
I 1,共3种取向
I 2,共5种取向
7.1 概述
2. 核磁共振波谱法的产生
➢ 磁核在一定外磁场作用下，产生Lamor进动—核 进动—核磁矩；又在射频波的辐射下，产生共振 吸收—产生核磁矩能级跃迁—产生感应信号的变 化，这就是核磁共振。
7.1 概述
2. 核磁共振波谱法的产生
D
H0 H R
核磁共振产生 的三维示意图 三维关系RH为0 外加Η为射外频加信磁号场，，产产生生核进磁动矩、能核级磁跃矩迁 D为核磁共振感应信号，产生感应信号变化
1H 为2.67519108， 13C为6.72615107
回旋轴
H0
自旋轴
图7-4 在重力场 中陀螺的进动
图7-5 在外磁场中 自旋核的进动
7.2 基本原理>> 7.2.2 核磁共振
1. 原子核在磁场中进动
核进动频率
2π
H0
表7-2 1H及13C核在不同磁场强度中的进动频率
H0 / T
1H核/MHz
核磁共振波谱法新
7.1 概述
1. 核磁共振波谱法发展史 2. 核磁共振波谱法的产生 3. 核磁共振波谱法的应用
7.1 概述
1. 核磁共振波谱法发展史 ➢ 1945年Bloch和Purcell分别领导两个小组同
时独立地观察到核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)，他们二人因此荣获1952 年诺贝尔物理奖。 ➢ 1991年诺贝尔化学奖授予R.R.Ernst教授，以 表彰他对二维核磁共振理论及傅里叶变换 核磁共振的贡献。两次诺贝尔奖的授予， 充分地说明了核磁共振的重要性。
旋运动也会产生磁矩，这些核常被称为磁核。
7.2 基本原理>> 7.2.1 原子核的自旋与磁矩
1. 自旋分类
➢ 原子核可按Ｉ的数值分为以下三类：
① 中子数、质子数均为偶数，则I=0，如12C、16O、 32S等。此类原子核不能用核磁共振法进行测定。
② 中子数与质子数其一为偶数，另一为奇数，则Ｉ为
半整数，如 I=1/2： 1H、13C、15N、19F、31P、37Se等； I=3/2： 7Li、9Be、11B、33S、35Cl、37Cl等； I=5/2： 17O、25Mg、27Al、55Mn等。 ③ 中子数、质子数均为奇数，则I为整数，如2H(D)、 6Li、14N等I=1；58Co，I=2；10B，I=3。
7.1 概述
1. 核磁共振波谱法发展史
➢ 自1953年出现第一台核磁共振商品仪器以来，核磁 共振在仪器、实验方法、理论和应用等方面有着飞 跃的进步。谱仪频率已从30MHz发展到900MHz。 1000MHz谱仪亦在加紧试制之中。仪器工作方式从 连续波谱仪发展到脉冲-傅里叶变换谱仪。随着多 种脉冲序列的采用，所得谱图已从一维谱到二维谱、 三维谱甚至更高维谱。所应用的学科已从化学、物 理扩展到生物、医学等多个学科。总而言之，核磁 共振已成为最重要的仪器分析手段之一。
7.2 基本原理>> 7.2.1 原子核的自旋与磁矩
➢ 永久磁铁、地球磁场、原子核自旋磁矩
N
S
7.2 基本原理>> 7.2.2 核磁共振
1. 原子核在磁场中进动 2. 核自旋能级分裂 3. 共振吸收及其条件 4. 核自旋驰豫
7.2 基本原理>> 7.2.2 核磁共振
1. 原子核在磁场中进动 类比： 地球绕恒星太阳公转＋地球自转：进动 陀螺绕重力方向旋转＋绕轴心自转：进动 原子核绕外磁场旋转＋绕核磁矩方向自转：进动 ➢ 在无外磁场的情况下，磁核自旋产生的核磁矩方向
是不确定的，当有外磁场存在的情况下，由于核自 旋磁场要与外磁场产生相互作用，结果使核除了自 转外，同时还存在一个以外磁场为轴心、核自旋轴 心与其成一定角度并绕其回旋的运动，这种运动称 为Larmor进动。
7.2 基本原理>> 7.2.2 核磁共振
1. 原子核在磁场中进动
核进动频率
2π
H0
为磁旋比 / T1 s1，是核的基本属性
E H0= 0
m 1/ 2
E
m 1/ 2
0
H0
图7-5 I＝1/2核的能级分裂
E
m
h 2π
H0
m
1 2
，E1
h
4π
H0
m
1 2
，E2
h
4π
H0
h
E E2 E1 2π H0
7.2 基本原理>> 7.2.2 核磁共振
7.1 概述
3. 核磁共振波谱法的应用 ① 结构鉴定、定量测定 ② 物理化学研究 ③ 医疗和药理研究
7.2 基本原理
7.2.1 原子核的自旋与磁矩 7.2.2 核磁共振 7.2.3 核的弛豫历程 7.2.4 自由感应衰减信号
7.2 基本原理>> 7.2.1 原子核的自旋与磁矩
1. 自旋分类 ➢ 原子核是具有一定质量和体积的带电粒子，它的自
13C核/MHz
1.4092
60.000
15.085
2.3487
100.000
25.143
5.1671
200.000
55.314
79
7.2 基本原理>> 7.2.2 核磁共振
2. 核自旋能级分裂
➢ 在无外磁场条件下，原子核的自旋方向是无序的，不 同自旋方向的核无能级差别；在外磁场作用下，发生 空间量子化，这时核磁矩按一定方向排列。
7.2 基本原理>> 7.2.1 原子核的自旋与磁矩
N
图7-2 质子自旋
核自旋方向与
S
核磁矩方向
2. 原子核的磁矩 ➢ 原子核自旋，产生角动量-自旋角动量，以P表示。
P
I (I 1) h 2π
I为核的自旋量子数 h为普朗克常数
➢ 原子核即具有自旋角动量P，也就具有磁矩μ，μ与P 之间的关系为：
P 称为磁旋比，是原子核 的重要属性